Propriétés physiques du sodium : Généralités

| |
|Rapport Technique |
|TITRE : |Les Réacteurs à Neutrons Rapides, le sodium, le cycle du |
| |combustible : bilan de l'acquis, potentiel d'innovation et |
| |perspectives d'avenir. |
|AUTEUR :|Jean MOREAU - membre du Comité Scientifique de l'AEPN |
|RESUME :|Ce rapport refait le long chemin parcouru par l'étude, la conception |
| |et la réalisation des réacteurs rapides refroidis au Sodium. A partir|
| |de ce bilan, il précise les potentiels d'innovation de la filière |
| |rapide, dans la perspective d'un développement durable de l'énergie |
| |d'origine nucléaire. |
| | |
| |Le Chapitre 1 présente les propriétés physiques et physico-chimiques |
| |du Sodium ainsi que ses applications non nucléaires. |
| | |
| |Le Chapitre 2 analyse les propriétés recherchées pour les c?urs |
| |rapides et la capacité du Sodium à répondre à ces propriétés. |
| |On donne une analyse détaillée des propriétés neutroniques thermiques|
| |et thermohydrauliques qui se conjuguent pour permettre l'atteinte |
| |d'une densité de puissance très importante et accroître la capacité |
| |des c?urs rapides à atteindre un flux élevé. |
| | |
| |Le Chapitre 3 analyse l'apport inestimable du Projet EFR, qui |
| |cristallise certaines connaissances acquises en R et D et constitue |
| |une avancée considérable pour l'industrialisation de ce type de |
| |réacteur. |
| | |
| |Le Chapitre 4 passe en revue les voies d'innovation sans exclure les |
| |voies Sodium et en particulier les voies qui autorisent des |
| |réductions drastiques de taille et des possibilités insuffisamment |
| |explorées en matière de fabrication en usine, de démontabilité et de |
| |réparabilité. |
| |Il s'agit de la voie modulaire et des voies non intégrées (avec |
| |combinaison possible). |
| | |
| |Le Chapitre 5 montre que les réacteurs rapides, indépendamment du |
| |choix du caloporteur, permettent seuls de réunir les conditions d'un |
| |développement durable de la production d'électricité d'origine |
| |nucléaire : Economie d'Uranium et maîtrise de la radio toxicité de |
| |tous les actinides. |
| |On préconise aussi la recherche d'une voie performante en matière de |
| |retraitement, la pyrochimie, qui permet seule d'utiliser toutes les |
| |potentialités des RNR. |
| |Enfin, à l'horizon se profile la voie idéale des réacteurs à sels |
| |fondus qui permettront la maîtrise définitive du problème des déchets|
| |et ouvriront progressivement la voie du cycle au Thorium. |
| | |
| |Le chapitre 6 est consacré à une conclusion qui reprend chacun des |
| |thèmes abordés dans ce rapport et resitue la voie sodium dans la |
| |problématique générale du développement de la Filière Rapide. |
|MOTS |Réacteurs à neutrons rapides - Sodium - caloporteur - Spectre |
|CLES : |neutronique - Flux neutronique - Thermique - Thermohydraulique - |
| |Cycle - Pyrochimie - Transmutation - Déchets - Actinides - PFVL - |
| |Sels fondus - Hybrides - Energie. |
| |
| |
Table des matières
1. Le sodium, histoire, propriétés, applications NON NUCLEAIRES 11 1.1 Introduction 11
1.2 Propriétés physiques du sodium : Généralités 11
1.2.1 Structure atomique du sodium 12
1.2.2 La liaison métallique 13
1.2.3 Température de fusion, température d'ébullition, température
critique 13
1.2.4 Masse volumique 14
1.2.5 Viscosité dynamique 15
1.2.6 Tension superficielle et mouillage 16
1.2.7 Conductivité thermique 16
1.2.8 Chaleur spécifique 17
1.2.9 Tension de vapeur 18
1.2.10 Résistivité électrique 20
1.2.11 Magnétisme 20
1.2.12 Vitesse du son 20
1.2.13 Dilatabilité 21
1.2.14 Isotopes radioactifs du [pic] et autres isotopes radioactifs
résultant de l'action du flux neutronique sur le [pic] 22
1.2.14.1 Réaction n, ( donnant lieu à la formation du [pic] 23
1.2.14.2 Réaction (n,2n) donnant lieu à la formation de [pic]* 24
1.2.14.3 Réaction( n,p) donnant lieu à la formation du [pic]* 25
1.2.14.4 Réaction n,( donnant lieu à la formation du [pic] 25
1.3 Propriétés chimiques : Généralités 25
1.3.1 Réaction du sodium avec l'air 25
1.3.1.1 Cas du sodium solide 25
1.3.1.2 Cas du sodium liquide 26
1.3.2 Réaction du sodium avec l'eau 26
1.3.3 Autres réactions : Solubilités 27
1.3.3.1 Réactions avec l'azote et les gaz rares 27
1.3.3.2 Réactions avec le carbone 27
1.3.3.3 Réactions avec le gaz carbonique 27
1.3.3.4 Réaction avec les alcools 27
1.3.3.5 Réaction du sodium avec l'oxygène - Solubilité de l'oxygène
dans le sodium 28
1.3.3.6 Réaction avec l'hydrogène - Solubilité de l'hydrogène dans le
sodium 29
1.3.3.7 Remarques relatives aux phénomènes de solubilité dans le
sodium liquide 30
1.3.4 La corrosion 31
1.3.4.1 Dissolution de l'acier (cas de sodium pur) 31
1.3.4.2 Corrosion inter granulaire 31
1.3.4.3 Cas du sodium chargé d'oxygène 31
1.3.4.4 Importance du maintien d'un niveau de propreté adéquate du
sodium 32
1.4 Le problème de la définition d'une base de données cohérentes 32 2. REEXAMEN DES POSSIBILITES OFFERTES PAR LES RNR - CAS DE LA PHYSIQUE
DES COEURS REFROIDIS AU SODIUM 33 2.1 Problématique du choix d'un caloporteur pour les réacteurs 33
2.2 Propriétés neutroniques recherchées dans un milieu multiplicatif -
Rappels 33
2.2.1 La voie des neutrons thermiques 35
2.2.2 La voie des neutrons rapides 35
2.2.2.1 Importance des caractéristiques du spectre et de la valeur du
flux neutronique vis à vis de la transmutation 37
2.2.3 Conclusion sur les caractéristiques de base offertes par les
neutrons rapides 37
2.3 La physique des c?urs rapides refroidis au Sodium 38
2.3.1 Le faible pouvoir ralentisseur du Sodium 38
2.3.2 Le faible pouvoir capturant du sodium 39
2.3.2.1 Influence du sodium sur la réactivité du c?ur. 40
2.3.2.2 Cas limite de la vidange sodium. 41
2.3.3 Performances thermiques du Sodium 43
2.3.3.1 Densité de puissance et flux neutronique 45
2.3.3.2 Puissance résiduelle spécifique maximale admissible et
puissance neutronique maximale admissible 46
2.3.4 Les propriétés surgénératrices 46
2.3.4.1 Gain de surgénération 47
2.3.4.2 Temps de doublement (TD) 48
2.4 Conclusion relative aux propriétés du caloporteur sodium vis-à-vis
de la seule physique du c?ur d'un RNR (neutronique, thermique,
hydraulique) 49 3. Les grands choix technologiques adoptés pour la maitrise du
caloporteur sodium bilan et perspectives 51 3.1 La continuité et la cohérence de l'effort de développement en
France 51
3.1.1 RAPSODIE 51
3.1.2 PHENIX 52
3.1.3 SUPERPHENIX 52
3.1.4 EFR 53
3.2 Inventaire des grands choix 53
3.3 Le choix du Sodium, un choix mondial 54
3.3.1 Choix résultant directement des propriétés chimiques du Sodium
56
3.3.1.1 Le circuit primaire 56
3.3.1.2 Atmosphères neutres 56
3.3.1.3 Les circuits secondaires 57
3.3.2 Le maintien du Sodium dans un état de propreté adéquate 57
3.3.2.1 Les sources d'impuretés O et H 57
3.3.2.2 Problèmes posés par la présence d'impuretés dans le Sodium
58
3.3.2.3 Les techniques de piégeage des impuretés et de contrôle de la
qualité du Sodium 59
3.3.2.4 Les générateurs de vapeur, la réaction sodium eau et la
détection d'hydrogène 60
3.3.2.5 Les feux sodium 62
3.3.3 Les ultrasons et l'inspection en service 63
3.3.3.1 Généralités 63
3.3.3.2 Les ultrasons 64
3.3.3.3 L'inspection en service 66
3.4 Le combustible et le sodium 67
3.4.1 Influence sur la thermohydraulique du faisceau des
caractéristiques thermiques et hydrauliques exceptionnelles du sodium
67
3.4.2 L'assemblage combustible 67
3.4.3 La corrosion de la gaine par le Sodium 69
3.4.4 La réaction oxyde mixte/ Sodium 69
3.4.4.1 La rupture de gaine 70
3.5 Les grandes spécifications d'EFR, Evolutions, Intégration
d'options diverses 70
3.5.1 Objectifs initiaux (Phases 1 et 2) 70
3.5.2 Le consistent design (9/91) 71
3.5.2.1 Caractéristiques héritées de SPX 2 71
3.5.2.2 L'apport des étude