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RÉSUMÉ
Limiter les phénomènes de corrosion, augmenter la disponibilité des tranches, contrôler les rejets dans l'environnement et réduire la contamination radioactive, sont autant de défis que le chimiste doit relever pour le bon fonctionnement et la maîtrise de la sûreté des réacteurs à eau sous pression. L'optimisation judicieuse de la chimie des milieux primaire et secondaire des centrales REP françaises, durant toutes les phases de l'exploitation, est le principal levier permettant de répondre aux enjeux précédents.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Agnès STUTZMANN : Attachée service chimie - EDF, CEIDRE, Département Études, Saint-Denis, France
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Stéphanie LECLERCQ : Attachée service chimie - EDF, CEIDRE, Département Laboratoire, Chinon, France
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Carine MANSOUR : Ingénieur chercheur - EDF Recherche et Développement, Département Matériaux et Mécanique des Composants Groupe Chimie-Corrosion, Moret sur Loing, France
INTRODUCTION
Le parc nucléaire français compte 58 tranches nucléaires de type REP (réacteurs à eau pressurisée), de puissance électrique allant de 900 à 1 450 MWe, réparties sur 19 sites.
La durée de fonctionnement d'une tranche nucléaire de type REP, dont le principe de fonctionnement est synthétisé dans un encadré (§ 1), est réexaminée tous les 10 ans. Elle est aujourd'hui estimée à 40 ans. Pour estimer cette durée et dès le début de l'exploitation, il est nécessaire de connaître les principaux modes de dégradation des composants des réacteurs et d'assurer leur maintien en bon état de fonctionnement ou de procéder à leur remplacement quand c'est possible. Les phénomènes de corrosion des parties métalliques des circuits primaires et secondaires sont à l'origine de la plupart des dégradations constatées. En plus des effets directs de la corrosion sur les matériaux (risque de fissuration, fragilisation, perte de masse), il existe des effets indirects qui vont contribuer à l'apparition de phénomènes où les produits de corrosion libérés sont responsables de dépôts dans des zones sensibles, de l'encrassement et du colmatage des générateurs de vapeur (GV) du côté secondaire et sont aussi à l'origine de la radioactivité déposée dans le circuit primaire.
Pour maîtriser les différents phénomènes, plusieurs leviers d'action sont nécessaires. Que ce soit l'amélioration continue des procédés de fabrication des composants, ou encore des modes de fonctionnement optimisés, le choix d'une chimie adaptée constitue finalement un des outils principaux pour maintenir en bon état les composants des différents circuits. L'eau étant le principal vecteur des éléments en solution, le contrôle des paramètres chimiques durant toutes les phases de l'exploitation permet de maîtriser la plupart des phénomènes de dégradation.
Par ailleurs, plus récemment, les évolutions de la chimie doivent prendre en compte les différents enjeux de la loi TSN codifiée dans le Code de l'environnement, qui place au même niveau les différents intérêts protégés par la loi (sûreté, radioprotection, protection de l'environnement, santé et sécurité).
La première partie de l'article est consacrée au circuit primaire et la deuxième au circuit secondaire des centrales REP françaises. Dans chaque partie, les principaux modes de dégradation et les enjeux associés sont présentés, suivis par le choix du conditionnement chimique par circuit. Enfin, des voies nouvelles d'optimisation sont proposées.
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Chimie secondaire
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1. Chimie primaire
Les REP sont constitués de trois circuits d'eau (figure 1). Les circuits primaire et secondaire sont fermés alors que le circuit de refroidissement est semi-fermé ou ouvert selon la localisation des sites. La chaleur produite au niveau du cœur du réacteur est extraite par l'eau du circuit primaire utilisée comme fluide caloporteur et maintenue liquide par le pressuriseur. La chaleur produite au niveau du cœur est transmise au circuit secondaire par échange thermique au niveau des générateurs de vapeur. L'eau du circuit secondaire passe alors sous forme vapeur actionnant ainsi la turbine qui entraîne l'alternateur créant alors du courant électrique. Cette vapeur qui a perdu la plus grande partie de son énergie est ensuite condensée par échange thermique dans le circuit de refroidissement. Ainsi, les seuls échanges entre les trois circuits sont des transferts de chaleur.
Le cœur du réacteur est composé de 157 assemblages combustible (pour une centrale REP 900 MWe). Ces assemblages contiennent 264 crayons composés chacun de 272 pastilles d'UO2 fritté ou de MOX (Mixed Oxides, mélange UO2/PuO2). L'uranium est enrichi en 235U, isotope fissile à environ 3,5 %.
Il existe plusieurs phases de fonctionnement au cours d'un cycle : le transitoire de démarrage, le fonctionnement en puissance, le transitoire d'arrêt. La physico-chimie du fluide primaire évolue lors des transitoires d'arrêt et de redémarrage.
1.1 Enjeux du primaire
Les organes principaux du circuit primaire sont la cuve, les générateurs de vapeur et le pressuriseur (figure 1). La réaction nucléaire, qui se produit dans le cœur du réacteur, doit être contrôlée par l'utilisation de produits neutrophages, tels que le bore. Pour cela, le bore est ajouté à l'eau du circuit primaire sous forme d'acide borique (H3BO3). L'eau du circuit primaire joue ainsi le rôle de caloporteur mais aussi de modérateur neutronique.
Les principaux produits chimiques de conditionnement sont l'acide borique, la lithine et l'hydrogène, chacun retenu pour une fonction chimique bien précise (§ 1.2).
Le conditionnement chimique mis en œuvre est régulièrement...
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Chimie primaire
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - MAZENC (A.) - Caractérisation par ToF-SIMS des couches de passivation des tubes de générateurs de vapeur en alliage 690 pour l'industrie nucléaire : apport à la compréhension des mécanismes. - Thèse de l'université Pierre et Marie Curie (2013).
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(2) - MARTIN-CABANAS (B.) - Comportement des produits de corrosion dans le circuit primaire des centrales REP – Sorption du cobalt et du nickel sur des ferrites représentatifs. - Thèse de l'université Paris XI (2007).
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(3) - LE CALVAR (M.), BRETELLE (J.-L.), CAILLEAUX (J.-P.), LACROIX (R.), GUIVARCH (M.), TAUNIER (S.), GRESSIER (F.), VARY (P.), CORREDERA (G.), ALOS-RAMOS (O.), DIJOUX (M.) (EDF) - Effect of water chemistry on deposition for PWR plant operation. - Paris, NPC (2012).
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(4) - MACHET et al - XPS and STM study of the growth and structure of passive films in high temperature water on a nickel-base alloy. - Electrochimica Acta, p. 3957-3964 (2004).
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(5) - Livre blanc du tritium. - Publication ASN, 8 juil. 2010.
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