Refroidissement du combustible

Evacuer la chaleur dégagée

Pour assurer la sûreté d’un réacteur, il faut maîtriser le refroidissement du combustible, c’est-à-dire l’évacuation efficace de la chaleur qui s’en dégage. Cet impératif doit être satisfait en permanence : aussi bien pendant la marche du réacteur, qu’après son arrêt normal ou accidentel.

Deux des trois accidents majeurs de l’histoire du nucléaire eurent pour origine un défaut de refroidissement. A Three Mile Island en 1978, l’accident se limita à la perte d’un réacteur. A Fukushima en 2011, les réacteurs étaient arrêtés quand le tsunami noya et mit hors service les installations électriques de secours mal protégées. La perte du refroidissement fut à l’origine des relâchements majeurs de matières radioactives dans l’environnement survenus après plusieurs jours.

Le circuit primaire
La circulation de l’eau primaire est assurée par un groupe de motopompes et un pressuriseur, relié à la branche chaude de l’une des boucles primaires, maintient l’eau à la pression nominale de 155 bars et limite les variations de pressions lorsque la charge du réacteur varie. Il est essentiel de garantir en toutes circonstances, grâce à des dispositifs de secours, la circulation d’eau et l’évacuation de la chaleur.
©  EDF/Electra ©

Dans un réacteur REP la chaleur due aux réactions de fission est évacuée  par l’eau primaire qui baigne les assemblages de combustible. Entre l’entrée et la sortie de la cuve, la température de l’eau augmente d’environ 40 °C (grosso modo de 280 à 320 °C), et elle redescend de 40°C dans les générateurs de vapeur, où la chaleur évacuée sert à vaporiser l’eau du circuit secondaire. Dans la région centrale du cœur du réacteur, là où les crayons dégagent la plus forte puissance, le gainage est porté à près de 400 °C et la température au centre des pastilles d’uranium dépasse 1 000 °C. Les variations de puissance de courte durée qui se traduisent par une élévation brève de température sont évacuées par les générateurs de vapeur et divers contournements.

On ne peut se permettre la moindre interruption de l’évacuation de la chaleur, sinon les températures du gainage et du combustible augmenteraient rapidement, ce qui provoquerait des ruptures, voire la fusion des gaines et une fusion plus ou moins complète des pastilles combustibles. Pour que tout ceci fonctionne bien, il faut que l’eau primaire soit à la bonne pression, qu’elle circule parfaitement et que la chaleur dégagée soit évacuée au fur et à mesure. Les générateurs de vapeur jouent là un rôle primordial : cette évacuation suppose qu’ils soient parfaitement alimentés par l’eau du circuit secondaire.

L’installation doit être capable d’assurer le refroidissement du cœur en cas de rupture d’une des nombreuses dérivations d’eau branchées sur le circuit primaire, mais également dans le cas d’une rupture majeure sur une tuyauterie principale.

Un autre refroidissement doit être impérativement assuré après un arrêt normal ou d’urgence du réacteur. L’arrêt interrompt les réactions de fission, mais non les désintégrations des atomes radioactifs présents qui continuent de dégager une chaleur intense : elle représente immédiatement après l’arrêt encore 5% de la puissance thermique du réacteur. Le refroidissement se fait d’une manière différente (on ne produit plus d’électricité ! ) qui nécessite une source d’eau froide extérieure. Il faut pouvoir injecter cette eau froide dans les échangeurs de chaleur.

Pannes du refroidissement à Fukushima
Les réacteurs à eau bouillante de Fukushima avaient été stoppés lors du tremblement de terre du 11 mars 2011. Avant l’arrivée du tsunami, la chaleur des désintégrations dans la cuve étaient normalement évacuée. Dans le cas de l’unité 1, la vapeur sortant de la cuve était condensée dans un échangeur de chaleur, puis retournait dans la cuve. L’eau secondaire vaporisée était évacuée hors du bâtiment et remplacée par de l’eau froide injectée à partir d’une source extérieure. Quand le tsunami inonda les générateurs diesel et les équipements électriques de secours, les pompes et injections d’eau tombèrent en panne. Le refroidissement de la cuve fut interrompu ce qui déclencha sa montée en température puis l’accident.
© IN2P3 (Source AREVA) ©

Les accidents comme ceux d’une rupture majeure sur une tuyauterie principale provoquent l’arrêt immédiat du réacteur, mais il faut comme précédemment évacuer la puissance résiduelle encore très importante due aux désintégrations radioactives qui décroît lentement. Un système de sécurité est conçu pour assurer cette parade : c’est le « système d’injection de sécurité » qui comporte plusieurs dispositifs pour couvrir toutes les situations envisageables.

Ces dispositifs diffèrent par la pression à laquelle ils sont capables d’injecter de l’eau dans le circuit primaire et leur débit. Citons : le système de sécurité à haute pression conçu pour injecter de l’eau à une pression supérieure à la pression normale ( ce dispositif a pour but de faire face à une fuite assez sérieuse) ; l’injection de sécurité à basse pression qui intervient quand la pression est descendue en dessous d’une dizaine de bars (d’atmosphères) et qui intervient dans le cas d’une fuite d’eau très importante.