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RÉSUMÉ
Le concept de réacteur à neutrons rapides (neutrons non ralentis) exige certaines caractéristiques spécifiques pour son fluide caloporteur. Le sodium est l’un des meilleurs candidats, et cet article en explique les raisons. Le caloporteur sodium est d'ailleurs très largement plébiscité parmi les réacteurs à neutrons rapides expérimentaux de par le monde, exclusivement dans tous les réacteurs rapides prototypes en exploitation, et dans une large partie des réacteurs rapides en phase de projet de réalisation. Les propriétés physico-chimiques du sodium métallique et son utilisation en tant que caloporteur déterminent les options de conception ainsi que les performances des réacteurs à neutrons rapides.
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Sodium Fast Reactor concepts (no slow-down neutrons) require some specific heat coolant characteristics. Sodium reveals to be one of the adequate candidate, and this article explains in details these reasons. Besides, sodium coolant has been largely selected worldwide in most of experimental fast reactors, exclusively in prototype fast reactors still in operation and in most of the fast reactors future projects. Physico-chemical properties of sodium metal and its use as heat coolant determine significantly design options and fast neutrons performances.
Auteur(s)
-
Gilles RODRIGUEZ : Ingénieur en génie des procédés - Expert Sénior au département d’études des réacteurs du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives - Centre de Cadarache, Saint-Paul-lez-Durance, France
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 : l’hydrogène étant un excellent modérateur très largement utilisé pour ces propriétés dans les centrales à eau pressurisée. Les autres critères également nécessaires pour un fluide caloporteur de cette filière sont :
-
une faible section efficace de capture neutronique ;
-
une capacité d’extraire une puissance volumique élevée ;
-
un bon comportement aux radiations, et une corrosion réduite sur les circuits ;
-
une nocivité réduite voire si possible nulle ;
-
une grande disponibilité industrielle et un faible coût d’acquisition.
Pour remplir au mieux l’ensemble de ces critères, le sodium se révèle être l’un des meilleurs candidats. Cela explique sa très forte émergence dans la filière réacteurs à neutrons rapides lors de la construction dans le monde des réacteurs expérimentaux, et de 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 extrêmement puissant. Il est d’ailleurs utilisé comme catalyseur en raison de cette propriété particulière dans l’industrie chimique. Cet effet réducteur implique notamment une grande réactivité à l’air et une réaction très vive avec l’eau. Le développement des réacteurs à neutrons rapides (RNR) actuels est donc intimement lié à la technologie spécifique du sodium. Ainsi, les particularités et les concepts technologiques de cette filière sont souvent des conséquences directes des propriétés physico-chimiques du sodium et de son usage comme caloporteur.
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KEYWORDS
metallic sodium | coolant | fast neutrons reactor | experimental reactors
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 2004 par Gilles RODRIGUEZ
DOI (Digital Object Identifier)
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Propriétés chimiques du sodium et ses conséquences
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2. 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 (environ 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 de valider les simulations hydrauliques du sodium liquide avec des maquettes plexiglas utilisant de l’eau liquide. La tension de vapeur est faible : dans les conditions normales d’exploitation la production d’aérosols reste donc très limitée. En plus de la chaleur, le sodium véhicule aussi très bien les ondes sonores et ultrasonores ; il est également un bon conducteur électrique. Il possède aussi des propriétés paramagnétiques. Ces derniers points particuliers sont employés avantageusement dans la technologie et l’instrumentation liées à l’utilisation du sodium.
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 sodium 22 (22Na) restera décelable au bout de quelques jours. Compte tenu de sa période courte (11 secondes) le fluor 20 (20F) est un bon marqueur de la puissance neutronique et son suivi dès la sortie cœur est une voie de recherche pour connaître en temps réel la puissance du réacteur.
HAUT DE PAGE2.2 Contraintes liées à l’utilisation 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...
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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 (1963).
-
(2) - GUIDEZ (J.) - Phénix Le retour d’expérience. - Éditeur EDP Sciences, Décembre 2013.
-
(3) - GUIDEZ (J), PRELE (G) - Superphénix. Les acquis techniques et scientifiques. - Édition ATLANTIS Press, Juin 2016.
-
(4) - Monographie de la Direction de l’Énergie Nucléaire - Les réacteurs nucléaires à caloporteur sodium. - Éditions Le Moniteur, Octobre 2014.
-
(5) - MORITA (K.), FISHER (E.A.) - Thermodynamic properties and equations of State for fast reactors safety analysis, - Nuclear Engineering and Design no 183 (1998).
-
(6) - BORGSTEDT...
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