Systèmes protégeant thermiquement les structures du circuit combustible 29

com-bustible

Le matériau envisagé pour la cuve et les réflecteurs axiaux du circuit combustible est un alliage de base nickel tel que l’hastelloy N, alliage initialement développé à l’ORNL pour les réacteurs à sels fondus, ou l’alliage de base nickel développé pour le MSFR dans le projet EVOL [48, 49]. Dans cette thèse, seul l’hastelloy N a été considéré et est utilisé dans les calculs des chapitres suivants. Ses propriétés physiques sont données dans le tableau 1.5 pour une

température de 500^◦C et peuvent être trouvées dans [41] pour des températures comprises

entre 100 et 700^◦C.

Afin de protéger les structures des hautes températures, notamment dans la partie supé-rieure du cœur où le sel combustible est le plus chaud, deux systèmes sont envisagés : une protection thermique et un système de refroidissement des parois. La protection thermique est constituée d’une couche de SiC recouvrant les structures du cœur et les isolant thermi-quement du sel combustible. Le système de refroidissement des parois procure quant à lui la circulation d’un fluide de refroidissement dans les réflecteurs axiaux et éventuellement dans les structures des secteurs. Ce système est en cours de définition. Le fluide de refroidissement actuellement envisagé est le sel intermédiaire.

1.3.6 Systèmes de retraitement des sels combustible et fertile

L’objectif du retraitement du sel combustible est le contrôle de sa composition et en par-ticulier des éléments impactant les caractéristiques neutroniques et/ou électrochimiques du

sel. Cela se traduit par l’extraction des produits de fission neutrophages, l’ajustement de la teneur des différents isotopes fissiles et fertiles et l’ajustement du potentiel électrochimique du sel. Deux méthodes sont envisagées pour nettoyer et retraiter le combustible : un retrait physique des éléments non solubles grâce à un système de bullage en ligne et un retraitement pyrochimique réalisé par batch dans une unité dédiée, l’unité de retraitement, localisée in-situ.

Système de bullage

Le système de bullage est utilisé pour nettoyer le sel des produits de fission gazeux et des particules métalliques non solubles. Les particules métalliques en question peuvent être des produits de fission (PFs) ou résulter de la corrosion. Leur retrait est important pour évi-ter l’érosion des parois ou leur dépôt sur les parties froides du circuit. Elles pourraient, par exemple, boucher les échangeurs de chaleur en s’y déposant en grande quantité. Le principe du système de bullage repose sur la séparation physique de ces éléments et du sel lorsqu’une phase gazeuse est mélangée au sel. Les éléments possédant une plus forte affinité interfaciale pour la phase gazeuse que pour la phase liquide sont alors emportés par les bulles de gaz.

Dans le design actuel, le gaz est injecté avec un débit de 7 l/s [50] grâce à des injecteurs situés en bas du cœur. Il est extrait au niveau des pompes via la «chambre de séparation» qui assure la séparation du gaz et du sel. Le gaz est ensuite envoyé dans l’unité de traitement des gaz où il est stocké pendant un temps court (de l’ordre de l’heure) et filtré grâce à un procédé impliquant un fluide de traitement. Ce procédé conduit à l’extraction des métaux nobles et des fils des décroissances des PFs gazeux (principalement des alcalins et des alcalino-terreux) qui se retrouvent piégés dans le fluide de traitement. Ce fluide doit être sélectionné ; du plomb ou du sel peuvent par exemple être utilisés. Une fois filtré, le gaz est ré-injecté en cœur. Le système de bullage, incluant l’unité de traitement des gaz, est intégré aux secteurs de refroi-dissement du combustible tel que représenté sur les figures 1.5 (en jaune) et 1.7 (en bleu). Une représentation des composants du système de bullage dans la zone d’extraction des gaz est donnée en figure 1.8 (à gauche).

Figure ^{1.8 – Système de bullage (à gauche) et système de prélèvement du sel combustible}

(à droite) [25]

1.3. CONFIGURATION DE RÉFÉRENCE DU RÉACTEUR À SELS FONDUS MSFR

Le gaz utilisé au démarrage du réacteur est composé d’hélium pur. L’intégralité des pro-duits de fission gazeux ne pouvant être extraits dans l’unité de traitement des gaz, une partie de ces gaz est injectée en cœur en tant que gaz de bullage. Après fonctionnement du ré-acteur, le gaz est donc formé d’un mélange de gaz rares (hélium, xénon, krypton, etc.). Une partie du gaz est prélevée régulièrement pour maintenir le volume de gaz dans le circuit com-bustible constant et pour extraire certains éléments radioactifs, tels que les kryptons et les xénons, qui seront stockés (pendant plusieurs mois) dans une enceinte dédiée. Cette enceinte, située en dehors de l’enceinte cœur, pourrait éventuellement se trouver dans le même bâtiment que l’unité de retraitement pyrochimique.

L’unité de traitement des gaz et le fluide de traitement permettent le stockage d’une par-tie des isotopes radioactifs. De ce fait, une fraction de la puissance résiduelle y est localisée. L’unité de traitement doit donc être refroidie par un système qui reste à définir. De plus, le fluide de traitement doit être remplacé au cours de la vie du réacteur pour éviter sa saturation. Des produits de fission et des particules métalliques sont également présents dans le sel fertile, bien qu’en plus faibles proportions que dans le sel combustible. De ce fait, un système de bullage peut être associé à la couverture fertile.

Unité de retraitement pyrochimique

Le retraitement pyrochimique du sel combustible a pour vocation d’extraire les éléments indésirables solubles dans le sel et plus généralement d’ajuster la composition du sel. L’unité de retraitement est située sur le même site que le réacteur et son développement est réalisé conjointement à celle du MSFR. Une description précise et une étude de dimensionnement de cette unité sont données dans la thèse de Xavier Doligez [50]. L’étude de l’unité de retraitement n’étant pas au cœur de la présente thèse, nous analysons uniquement son impact sur le réacteur sans entrer dans le détail de ses systèmes ou composants internes. Du point de vue du circuit combustible, les rôles de l’unité de retraitement sont :

— d’ajuster la proportion de noyaux lourds (égale à 22,5%) afin de conserver une com-position du combustible correspondant à l’eutectique ;

— d’ajuster la teneur en isotopes fissiles du sel combustible afin d’ajuster la température de criticité ;

— de retirer les produits de fission solubles du sel combustible, en particulier les lantha-nides, afin de limiter l’empoisonnement neutronique et surtout de rester en dessous des limites de solubilité de ces éléments dans le sel ;

— d’identifier les éventuelles déviations de la composition du sel combustible qui peuvent être représentatives d’un dysfonctionnement du circuit combustible tel qu’une dé-faillance du système de bullage ;

— de contrôler le potentiel chimique du sel combustible en ajustant le rapport ^{U F}_{U F}³₄; ce

dernier point peut aussi être effectué par un système dédié sans passer par l’unité de retraitement.

Le retraitement du combustible est réalisé par batch et une proportion du combustible est ainsi prélevée régulièrement. Dans [50], un prélèvement journalier de 40 litres maximum est proposé. Dans le design de référence, le prélèvement est réalisé au niveau du réservoir

d’expansion. Celui-ci est fermé d’un couvercle amovible dans sa partie supérieure. Lors du prélèvement du combustible, le couvercle est retiré et remplacé par le système de prélèvement, tel que représenté sur la figure 1.8 (à droite). L’impact de cette option de design sur la sûreté du réacteur est discuté au chapitre 6.

Comme pour le sel combustible, la composition du sel fertile doit être contrôlée et ajustée. Des PFs solubles, tels que les lanthanides, y sont présents, bien qu’en quantité moindre. Ils doivent en être retirés mais le débit d’extraction nécessaire est beaucoup plus faible que pour le combustible. Par contre, l’uranium 233 et les transthoriens doivent être extraits de la couverture fertile avec un débit suffisant de manière à éviter l’accumulation de la matière fissile dans la couverture et à pouvoir réapprovisionner le cœur. En effet, une partie de la matière fissile est réinjectée dans le combustible et contribue à l’ajustement de la teneur en fissile et en noyaux lourds du combustible. Le reste est stocké pour participer, par exemple, au démarrage d’un nouveau réacteur. Dans [50], un prélèvement journalier de 40 litres au maximum est proposé. Le système de prélèvement de la couverture fertile est en cours de définition.