E.1 Introduction [38]
Le programme CAPRA-CADRA (consommation accrue de plutonium dans les (r´eac-teurs) rapides et consommation accrue des d´echets dans les r´eacteurs rapides), lanc´e en mars 1993, est destin´e `a d´emontrer, d’une part, la faisabilit´e d’un RNR-Na bas´e sur le concept de l’EFR, qui soit optimis´e pour consommer du plutonium (Pu), mˆeme de qual-it´e d´egrad´ee, et d’autre part, qui soit capable de d´etruire des AM et des PF-VL, dans ces mˆemes r´eacteurs. En 1999, l’objectif a ´et´e ´elargi `a diff´erents types de r´eacteurs et les aspects brˆuleur de Pu et transmutation des AM et des PF-VL ont ´et´e s´epar´es [66]. Trois objectifs sont donc `a atteindre :
– une consommation accrue de Pu : de l’ordre de 80 kg/TWhe pour un r´eacteur `a combustible oxyde (ce qui ´equivaut `a 800 kg de Pu par an pour un r´eacteur de 1500 MWe) ;
– la destruction des AM : le programme SPIN recommande la transmutaion en RNR, et plus particuli`erement, le recyclage du neptunium (Np) dans le combustible et le recyclage de l’am´ericium (Am) dans des cibles plac´ees en p´eriph´erie du cœur, en remplacement des traditionnelles couvertures fertiles (depuis, la transmutation est plutˆot consid´er´ee en mode homog`ene) ;
– une possibilit´e de r´eversibilit´e : n´ecessit´e de compatibilit´e des technologies pour re-configurer les brˆuleurs en surg´en´erateurs.
E.2 Choix de conception
Pour permettre un retour vers la surg´en´eration, le fluide r´efrig´erant reste le sodium. Dans un premier temps, les couvertures fertiles, axiales et radiales, qui ont pour rˆole dans les RNR conventionnels de r´eg´en´erer le Pu, sont supprim´ees. Le cœur peut ´eliminer le Pu mais `a un niveau relativement faible, de l’ordre de 15 kg/TWhe. Il faut donc mettre en oeuvre une conception sp´ecifique pour obtenir un niveau de consommation ´elev´ee. La consommation de Pu dans un MOX provient de deux effets antagonistes : sa destruction
la consommation de Pu, il faut r´eduire la part de l’238U dans le combustible, c’est-`a-dire augmenter la teneur en Pu. Pour atteindre cette consommation accrue, on peut utiliser :
– un combustible oxyde `a condition d’augmenter la teneur en Pu, du type combustible MOX avec une teneur en Pu de 40 `a 45 % maximum pour pouvoir permettre le retraitement du combustible par proc´ed´e PUREX : un taux de consommation du Pu de 75 kg/TWh peut alors ˆetre envisag´e [67] ;
– un combustible novateur sans uranium pour b´en´eficier du plus haut niveau possible de consommation du Pu, `a savoir 110 kg/TWh [67,68].
La faisabilit´e de la premi`ere option a d´ej`a ´et´e d´emontr´ee, alors que pour la seconde, des pistes sont `a l’´etude : un bon candidat semble ˆetre un combustible `a base de nitrure, PuN, qui est caract´eris´e par une excellente conductivit´e thermique et un point de fusion ´elev´e [67].
Concernant les structures, dans la mesure o`u l’on conserve le mˆeme fluide r´efrig´erant et si le MOX `a haute teneur en Pu est choisi comme combustible, alors les mat´eriaux de structure des surg´en´erateurs sont adapt´es `a un r´eacteur type CAPRA.
E.3 Description d’un cœur sous g´en´erateur [70]
E.3.1 Inventaire et description g´eom´etrique
Les ´etudes CAPRA portent sur un cœur de forte puissance qui puisse ˆetre int´egr´e dans la chaudi`ere EFR. L’obtention d’un fort enrichissement en Pu en mˆeme temps qu’un bilan neutronique ´equilibr´e a conduit `a une r´eduction consid´erable de l’inventaire de combustible `
a l’int´erieur d’un volume de cœur donn´e (d´emarche de dilution). Pour un combustible oxyde, on passe de 40 t de combustible pour un r´eacteur conventionnel `a 20-25 t pour un brˆuleur de r´ef´erence (type CAPRA 4/94), ayant une teneur en Pu de 45 %, de qualit´e isotopique d´egrad´ee (Pu recycl´e deux fois en REP MOX) : dans les deux cas, le combustible contient 9 `a 10 t de Pu [67]. La diminution par deux de l’inventaire en combustible conduit `
a une r´eduction du temps de s´ejour du combustible en cœur, ce qui peut entraˆıner des conditions d´efavorables ´economiquement parlant. Trois niveaux de r´eduction de l’inventaire de combustible sont possibles :
– une pastille combustible de petit diam`etre avec un grand trou central ;
– un assemblage combustible h´et´erog`ene contenant des aiguilles vides de combustible ; – un cœur h´et´erog`ene comportant des assemblages diluants.
La particularit´e de l’assemblage combustible CAPRA est de renfermer un tr`es grand nombre d’aiguilles (469 contre 331 pour un assemblage EFR), divis´ees en aiguilles com-bustibles (336) et en aiguilles vides (133). Ces derni`eres contiennent un mat´eriau inerte (par exemple, MgAl2O4), ce qui permet de diminuer les cons´equences d’´eventuels accidents de fusion et de minimiser les risques de recriticit´e li´es au fort enrichissement. Les pastilles d’oxyde sont de g´eom´etrie annulaire avec un large trou central. Les aiguilles sont de petit diam`etre de sorte que le faisceau d’aiguilles occupe un volume ´equivalent au volume de
faisceau d’aiguilles EFR, malgr´e un plus grand nombre d’aiguilles.
L’assemblage diluant comporte un faisceau de 52 aiguilles, de grand diam`etre, vides de tout mat´eriau. Les assemblages diluants permettent de r´eduire l’effet de vidange du sodium et d’obtenir un meilleur applatissement de la nappe de puissance. Ces assemblages sont ´egalement utilis´es pour la gestion de la r´eactivit´e.
Il es `a noter que des Pu de qualit´e vari´ee peuvent ˆetre utilis´es en effectuant quelques adaptations mineures sur la conception de l’assemblage combustible de la version de r´ef´erence 4/94.
E.3.2 R´eversibilit´e
L’int´egration d’un cœur CAPRA dans la chaudi`ere d’un EFR ne pose pas de difficult´es majeures : quelques adaptations sont n´ecessaires `a cause de la l´eg`ere r´eduction du pas de l’assemblage. De plus, il a ´et´e d´emontr´e que le concept CAPRA 4/94 peut retourner `a un concept surg´en´erateur (version compact de l’EFR), avec des p´enalit´es tr`es limit´ees sur la performance de surg´en´eration et le temps de s´ejour du combustible.
E.4 Conclusion
La conception CAPRA permet une consommation de Pu ´elev´ee (74 kg/TWhe). Ce cœur se caract´erise ´egalement par des effets de vidange du sodium et Doppler `a un niveau acceptable. Pour le parc ´electronucl´eaire fran¸cais et dans l’hypoth`ese d’un premier recy-clage de Pu en REP (MOX), il faudrait un RNR de type CAPRA pour trois `a quatre REP, pour parvenir `a stabiliser le stock de Pu. Dans le cadre d’un d´eploiement de RNR-Na, le concept CAPRA, de par sa r´eversibilit´e, pourrait jouer le rˆole d’incin´erateur de Pu enfin de jeu, comme ´evoqu´e dans le paragraphe6.3.4 du Chapitre6.