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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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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 :
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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, et une corrosion réduite sur les circuits ;
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une nocivité réduite voire si possible nulle ;
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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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- Version archivée 1 de janv. 2004 par Gilles RODRIGUEZ
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Contrôle de la qualité du sodium dans un réacteur nucléaire
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3. Propriétés chimiques du sodium et ses conséquences
Ce sont les particularités chimiques du sodium qui ont édicté la plupart des axes de recherche établissant des technologies sûres et fiables pour maîtriser ce caloporteur et l’exploiter en toute sécurité. Les principaux axes de recherches se sont donc orientés vers les domaines présentés dans les paragraphes suivants.
3.1 Réaction du sodium à l’air. Feux de sodium
Les réactions et la réactivité du sodium au contact de l’air dépendent de nombreux paramètres tels que la température du sodium, son état de dispersion, le taux d’humidité de l’air.
Du sodium solide fraîchement coupé à l’air libre se ternit très rapidement. Sa coloration en surface passe de gris argenté à gris terne. Avec le temps, cette coloration grise peut virer au blanc ou se recouvrir d’un film visqueux voire liquide. Le changement immédiat de teinte du sodium s’explique par une oxydation surfacique passant de la forme métallique Na à la forme oxydée Na2O (oxyde de sodium) suivant la réaction :
Avec le temps et en fonction du taux d’humidité de l’air, le sodium peut réagir avec la vapeur d’eau pour former de la soude et de l’hydrogène suivant la réaction :
Par la suite, plusieurs réactions entrent en compétition : la poursuite de la réaction sodium/humidité de l’air, l’hydratation de la soude et la carbonatation de la soude au contact du CO2 de l’air. La température du sodium et surtout le taux d’humidité de l’air influent sur la prépondérance de ces réactions. Dans un air humide (point de rosée au-delà de +5 °C),...
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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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