Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Le réacteur à neutrons rapides exige certaines caractéristiques spécifiques pour son fluide caloporteur. Le sodium semble un excellent candidat, et cet article en explique les raisons en détail. Il est d'ailleurs très largement utilisé dans les réacteurs expérimentaux et exclusivement dans les prototypes. Les propriétés physico-chimiques du sodium et son utilisation en tant que caloporteur ont une influence très forte sur les particularités et les performances des réacteurs à neutrons rapides.
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Gilles RODRIGUEZ : Ingénieur en génie des procédés - Département d’études des réacteurs du Commissariat à l’Énergie Atomique
INTRODUCTION
Le concept d’un réacteur à neutrons rapides (RNR) nécessite l’emploi d’un fluide caloporteur non modérateur de neutrons ce qui explique de facto l’élimination de l’eau. Les autres critères également nécessaires pour un fluide caloporteur de cette filière sont :
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une faible section efficace de capture neutronique ;
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une capacité d’extraire une puissance volumique élevée ;
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un bon comportement aux radiations, une corrosion réduite des circuits ;
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une nocivité réduite voire nulle ;
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une grande disponibilité industrielle et un faible coût.
Pour remplir ces critères, le sodium apparaît comme un excellent candidat. Cela explique sa très forte émergence dans la filière rapide lors de la construction dans le monde des réacteurs expérimentaux, et son choix exclusif lors de la construction des réacteurs de démonstration ou des réacteurs prototypes.
D’un point de vue chimique, le sodium est un réducteur très puissant ce qui implique notamment une grande réactivité à l’air et une réaction très vive avec l’eau. Le développement des RNR actuels est donc intimement lié à la technologie spécifique du sodium. Ainsi, les particularités et les concepts technologiques de cette filière sont souvent les conséquences directes des propriétés physico-chimiques du sodium et de son usage comme caloporteur.
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- Version courante de janv. 2019 par Gilles RODRIGUEZ
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Propriétés chimiques du sodium et ses conséquences2. Impacts du sodium sur la technologie des RNR
2.1 Avantages du sodium
Le sodium présente des caractéristiques physiques remarquables qui en font un fluide caloporteur bien adapté à l’utilisation dans un RNR (tableau 1), avec notamment une large plage de température à l’état liquide ce qui permet une utilisation à la pression atmosphérique normale, une très bonne conductibilité thermique (100 fois celle de l’eau), une viscosité et une masse volumique à 400 ˚C voisines de celles de l’eau à 20 ˚C. Cette équivalence permet d’effectuer des simulations hydrauliques du sodium liquide avec des maquettes en eau. La tension de vapeur est faible : dans les conditions normales d’exploitation la production d’aérosols est donc très limitée. En plus de la chaleur, le sodium véhicule aussi très bien les ondes sonores et ultrasonores et l’électricité. Il possède aussi des propriétés paramagnétiques.
Sous flux neutronique, le sodium s’active pour fournir les isotopes artificiels présentés dans le tableau 2. Les produits d’activation du sodium ont une période relativement courte. Après l’arrêt d’un réacteur, seul le 22Na sera décelable au bout de quelques jours.
HAUT DE PAGE2.2 Inconvénients du sodium
Le sodium métallique est un très fort réducteur (passage de l’état Na à Na+). Cette instabilité chimique se caractérise notamment par son inflammation spontanée au contact de l’air ou de l’oxygène à partir de 130 ˚C et par sa vigoureuse réactivité chimique au contact de l’eau suivant une réaction exothermique produisant de la soude et de l’hydrogène.
Lorsqu’il contient de l’oxygène dissous, le sodium devient corrosif vis-à-vis des aciers austénitiques et ferritiques. Pour limiter ces phénomènes, une purification continue est nécessaire. Enfin, le sodium est complètement opaque. Une inspection des structures sous sodium ne peut donc pas se faire par des méthodes optiques classiques.
HAUT DE PAGE2.3 Impacts...
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Impacts du sodium sur la technologie des RNR
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - PASCAL (P.) - Nouveau traité de chimie minérale. Tome II – Lithium – Sodium - . Édition Masson et Cie.
-
(2) - FOUST (O.J.) - Sodium-NaK engineering handbook Vol 1 - . Ed Gordon and Breach.
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(3) - PETIOT (P.), SEILER (J.M.) - Physical properties of sodium : a contribution to the estimation of critical coordinates - . High Temperature – High Pressure. Vol. 16, p. 289-293 (1984).
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(4) - MORITA (K.), FISHER (E.A.) - Thermodynamic properties and equations of State for fast reactors safety analysis - . Nuclear Engineering and Design no 183 (1998).
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(5) - BORGSTEDT (H.U.), MATHEWS (C.K.) - Applied chemistry of the alkali metals - . Edition Plenum Press (1987).
-
(6) - SITTIG (M.) - Sodium : its manufacture, properties, and uses - . Reinhold Publishing Corporation (1956).
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