I.4.1 Historique et fonctionnement du réacteur
Le réacteur CABRI est un réacteur piscine avec une boucle de refroidissement qui permet de générer des excursions de puissance et d’observer l’effet des accidents de réactivité sur un crayon combustible (cf. fig. I.6). Les “pulses” générés dans ce cœur peuvent atteindre une puissance de 20 GW en quelques dizaines de millisecondes [14].
Depuis les années 70, le réacteur a été utilisé afin de tester les combustibles pour les réacteurs à caloporteur sodium. A partir de 1978, sa contribution à l’étude des RIA débute. Il comportait alors un dispositif conçu pour vérifier la tenue des éléments combustibles dans les réacteurs rapides refroidis au sodium (Phénix, Superphénix). La filière sodium ayant été abandonnée en France, le réacteur a été modifié au cours des années 2000 afin d’étudier le même type d’accidents sur le combustible des REP du parc nucléaire français [16]. Un programme international nommé CIP (CABRI International Program) a alors été mis en place afin d’étudier la tenue des gaines de combustible nucléaire. Ce fut par exemple l’objet de l’essai CIP-Q du 16 avril 2018 [17]. Cet essai a permis pour la première fois de soumettre un crayon d’essai irradié de type MOX a
un pic de puissance visant à être représentatif d’un RIA dans un REP et dans des conditions thermohydrauliques représentatives (débit, température, pression).
Figure I.6 – Vue 3D du réacteur CABRI
Afin de reproduire les conditions d’un RIA, des barres dites transitoires dans le cœur sont remplies d’hélium 3 (gaz neutrophage) et rapidement dépressurisées, insérant une réactivité de quelques dollars en quelques millisecondes. La puissance augmente puis diminue par le biais des contre-réactions neutroniques, notamment l’effet Doppler, et par la chute des barres d’absor- bants dans le cœur.
Le crayon d’essai au centre voit sa puissance évoluer rapidement et une instrumentation dé- diée permet de détecter une éventuelle rupture de gaine, une relocalisation du combustible, une augmentation de l’activité dans la boucle, le bouchage du canal, etc.
I.4.2 Composants du réacteur
I.4.2.1 Le circuit de refroidissement du cœur
Le réacteur CABRI dispose de plusieurs circuits et composants. Tout d’abord, le circuit EC (Eau du Cœur) permet de refroidir le cœur à haute puissance (à partir de 100 kW). En deçà de cette valeur, le cœur peut se refroidir par simple circulation naturelle. Ce circuit (ouvert sur la piscine en sortie du cœur) dispose de deux pompes et assure une vitesse d’eau liquide dans le cœur d’environ 5 m/s. Deux réservoirs situés à l’extérieur alimentent le circuit.
I.4.2.2 Le cœur du réacteur
Le cœur du réacteur (cf. fig. I.7), de dimensions 60 cm × 60 cm × 80 cm, peut atteindre une puissance de 25 MW en permanent. Il est constitué de 14887 crayons combustibles d’UO2,
enrichis à 6% et gainés d’acier inox, et est piloté par six BCS (Barres de Contrôle et de Sécurité) en Hafnium. La fig. I.8 présente le cœur en coupe radiale la disposition des absorbants, des barres
BT BEP
Canal de l’hodoscope
BCS Assemblages
Figure I.7 – Vue du cœur de CABRI et exemple d’un pic de puissance et de la dépressurisation associée des barres transitoires
transitoires contenant l’hélium 3 et du combustible.
BCS BT BEP Canal de l’hodoscope Assemblages Réflecteur en graphite
Figure I.8 – Schéma d’une coupe radiale du cœur de CABRI
Les principales dimensions et caractéristiques du cœur qui seront utilisées dans la suite de ce document sont synthétisées dans le tableau I.1.
I.4.2.3 Le circuit des barres transitoires
Le circuit BT (Barres Transitoires) est constitué de barres plongeant dans le cœur du réac- teur (cf. fig. I.7) et contenant un absorbant sous la forme d’un gaz neutrophage : l’hélium 3. Il dispose de deux voies de dépressurisation (cf. fig. I.9), portant chacune deux vannes : une vanne rapide (VABT01 ou VABT02) s’ouvrant en moins de 5 ms et une vanne de contrôle (VABT03 ou VABT04) régulant le débit. Le choix de dépressuriser les barres avec l’une ou l’autre des deux
Tableau I.1 – Caractéristiques générales du cœur CABRI
Enrichissement ∼6 %
Pas du réseau 1,26 cm
Épaisseur de gaine 0,4 mm
Épaisseur du jeu à froid 175 µm
Diamètre de la pastille 8,85 mm
Hauteur de la partie fissile 80 cm
Nombre de crayons 1487
Vitesse fluide axiale 5 m/s
Diamètre hydraulique 10,2 mm
Nombre de Reynolds dans le cœur 5,6 104
Débit total 885 kg/s
Pression à mi-hauteur dans le cœur 3,5 bar
voies se fait en fonction du type de pic de puissance que l’on souhaite obtenir. La voie 1, dite “gros débit”, permet de réaliser des insertions de réactivité très rapides et des pics de puissance très hauts et courts, dont un exemple est donné en fig. I.7. La voie 2, dite “petit débit”, permet de réaliser des insertions de réactivité plus lentes et de ce fait des pics moins hauts mais plus larges. On peut également réaliser des “doubles dépressurisations” en utilisant successivement la voie 2 puis la voie 1, permettant de régler efficacement la LMH (Largeur à Mi-Hauteur) du pic et sa puissance maximale. Le gaz est envoyé dans un réservoir tiré au vide avant l’essai (à environ 5 mbar).
Figure I.9 – Vue générale du circuit BT
I.4.2.4 La boucle à eau pressurisée
Enfin, la BEP (Boucle à Eau Pressurisée) contient le crayon d’essai, placé au centre du cœur (cf. fig. I.8). Cette boucle dispose de très nombreux capteurs : thermocouples, capteurs de pression, de débit, détecteurs de rupture de gaine, de radioactivité etc.
I.4.2.5 L’instrumentation dans le réacteur
L’instrumentation disponible dans le reste du réacteur est la suivante [18,19] : — température en entrée et sortie du cœur ;
— débit d’eau en entrée cœur ;
— mesure de la pression de gaz dans le circuit BT en amont des vannes rapides.
Les phénomènes intervenant dans ce type de transitoires accidentels touchant aux limites des modèles couramment utilisés en thermohydraulique, neutronique et thermomécanique, leur bonne compréhension ainsi que leur modélisation forment un enjeu important. Ces modélisations sont mises en œuvre dans des outils de calcul scientifique (OCS). De nouveaux modèles pourront être ajoutés à ces outils afin d’étendre de ce fait leur domaine de validité.