Le cœur d’un réacteur à eau pressurisée (REP) est contenu dans une cuve métallique étanche. Il est composé de crayons de combustibles groupés en assemblages disposés en mosaïque, entre lesquels circule l’eau primaire sous pression qui évacue la chaleur et modère les neutrons.
Détail d’un assemblage de combustible
Inséré dans le cœur du réacteur, chaque assemblage est constitué de 264 crayons d’environ 4 m de long, chaque crayon étant formé d’un empilement de 272 pastilles d’oxyde d’uranium ou de plutonium enrobés d’une gaine à base de zirconium. Des tubes guides sont également prévus pour l’insertion dans les assemblages des barres de contrôle pour le pilotage du réacteur. Les différences pièces de structures – grilles, embouts – qui assurent la cohésion mécanique de l’assemblage sont également en matériaux peu absorbants pour les neutrons.
© AREVA
Un assemblage groupe un ensemble de crayons maintenus ensembles par des grilles de support. Ces crayons sont des longs tubes qui contiennent des pastilles de combustible empilées. La paroi ou gaine de ces crayons et leurs embouts assurent le confinement des produits radioactifs par rapport à l’eau sous haute pression et température élevée.
Les pastilles sont composées d’oxydes d’uranium (UO2) fritté ou d’un mélange d’oxyde d’uranium et de plutonium dans le cas du MOX. D’une hauteur de 1,35 cm, les pastilles d’oxyde d’uranium pèsent 8,3 grammes.
Un crayon caractéristique d’un réacteur REP à eau pressurisée contient 272 pastilles bout à bout. Sa longueur est de 3,85 m et son poids de combustible est d’environ 2 kg.
Crayons de combustible
Image de crayons combustibles avant assemblage. Les pastilles d’oxyde d’uranium sont empilées à l’intérieur de tubes ou gaines faites d’un alliage au zirconium, qui laisse passer les neutrons et résiste à la corrosion de l’eau. Les gaines, qui constituent la première barrière d’étanchéité, empêchent le passage des éléments radioactifs, dont certains sont gazeux, dans l’eau primaire. Plus tard, ces mêmes crayons assureront la première protection pour l’environnement dans le cas où les assemblages irradiés sont stockés comme déchets.
© PHILIPPE LESAGE /AREVA
L’avantage de la configuration en crayons est que les neutrons rapides nouvellement produits passent facilement dans l’eau ce qui permet de les ralentir avant qu’ils ne pénètrent à nouveau dans le combustible pour y produire de nouvelles fissions.
Un assemblage caractéristique regroupe 264 crayons : sa hauteur est de 4,06 m pour un poids de 500 kg.
Au total, le cœur d’une tranche d’un réacteur qui fournit une puissance électrique de 0,90 Gigawatt comprend 177 assemblages, 46 728 crayons et 11 273 856 pastilles. Il fonctionnera en moyenne 6 600 heures par an. Il contient 72 tonnes de métal lourd (essentiellement de l’uranium) qui séjourneront 3 ans dans le réacteur et seront renouvelées chaque année par tiers de 24 tonnes.
Les gaines métalliques, qui enrobent les crayons de combustibles et sont plongées dans une eau sous-pression à haute température, sont à base d’un métal rare, le zirconium. L’utilisation du zirconium s’est développée à partir de 1949 à l’instigation de l’amiral Rickover dans le cadre du développement des réacteurs embarqués de l’escadre des sous-marins nucléaires américains.
Ce n’est que plus tard, dans le cadre du programme « Atom for Peace », que son usage s’est étendu à l’atome civil. Les raisons qui ont conduit au choix du zirconium ou de ses alliages sont que le zirconium laisse passer les neutrons en les absorbant très peu. S’ajoutent de bonnes qualités mécaniques, et une très bonne résistance à la corrosion de l’eau à très haute température. La résistance à la corrosion est améliorée avec des alliages, les zircaloy, principalement à base d’étain.
Contrôle des gaines
Contrôle visuel des soudures de bouchon des crayons de combustible, contenant les pastilles d’oxydes d’uranium. Les gaines résistantes à la corrosion de l’eau constituent la première barrière d’étanchéité, en empêchant le passage des éléments radioactifs, dont certains sont gazeux, dans l’eau primaire dont la température atteint 350°C.
PHILIPPE LESAGE /AREVA
Plus tard, quand les assemblages irradiés sont sortis des réacteurs et entreposés dans des piscines, c’est l’étanchéité de ces gaines qui empêche la dispersion des produits radioactifs et offre une première barrière de protection.
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