Le blog de doc zaius

Améliorer la robustesse des crayons de combustible nucléaire, les nouvelles perspectives.

3 Septembre 2021

Les accidents de Tchernobyl et Fukushima ont démontré la faiblesse de certains aspects de la stratégie de sûreté adoptée, depuis les années 70, pour les installations électronucléaires civiles.

Tant en ce qui concerne les protections actives que passives, de grosses lacunes ont été constatées qui ont rendu évidente la nécessité de revoir l'ensemble du problème de la sûreté.

Parallèlement à ce sursaut technologique, un fort sentiment anti-nucléaire s'est développé dans le cadre du mouvement écologique qui suggère de tuer le malade plutôt que chercher à le guérir ; cette méthode à la hussarde, baptisée principe de précaution, a le mérite de mettre fin définitivement à tout problème, mais aussi l'inconvénient de bloquer toute évolution au prétexte que chaque médaille a son revers.

Entre ceux qui tirent de Fukushima une leçon pour améliorer une technologie dont ils croient en l'avenir, et ceux qui tirent la leçon inverse qui les encourage à renoncer à une technologie de mort, il résulte un affrontement manichéen qui conduit à une guerre de tranchées peu propice au progrès d'un côté comme de l'autre.

Du côté de l'atome, l'incertitude quant à la pérennité de cette technologie paralyse depuis vingt ans les initiatives qui pourraient être positives ; il a fallu Fukushima pour réveiller un peu les consciences et se remettre à la planche à dessin mais, sans un plan d'attaque crédible ; on fait du neuf avec du vieux (L'EPR n'est qu'un réacteur classique du palier N4 un peu sur gonflé avec beaucoup de béton autour).

Du côté de l'électricité écologique, l'opposition survient de là où elle n'était pas attendue : des écologistes eux-mêmes, qui rejettent en vrac les éoliennes maritimes et terrestres et les grands barrages hydroélectriques, pour des raisons bien compréhensibles.

Quant à la frange marginale qui suggère de régler le problème en revenant au bon vieux temps où l'on s'éclairait à la bougie, elle peine à recruter des adeptes accoutumés au progrès qui doit tout à l'électricité, y compris les bicyclettes qu'on aurait pourtant pu croire à l'abri de « l' enfer » du confort moderne !

Pour tenter de mettre fin à ces hostilités dépourvues de sens et sans issue, le GIEC vient de rappeler que l'électronucléaire est une technologie non émettrice de CO2, lequel est aujourd'hui désigné ennemi public numéro un par les écologistes eux-mêmes, soucieux de lutter contre le réchauffement climatique causé par ce même CO2 !

On ne peut pas être plus clair dans la volonté de calmer les esprits et d'éviter de jeter le bébé avec l'eau du bain. Car enfin, l'électronucléaire est bien, au moins jusqu'au milieu de ce siècle, la seule technologie capable de fournir une production de base, dans l'hypothèse de l'abandon des fossiles.

(Hypothèse de moins en moins crédible si l'on en croit la courbe de croissance de leur consommation mondiale).

L'idée de faire coexister le nucléaire et les énergies nouvelles au moins jusqu'à ce que ces dernières aient apporté la preuve qu'elles sont capables de marcher seules, fait son chemin et justifie les nouveaux développements dans la technologie de l'atome.

Les nouveaux développements en question étant l'amélioration de la sûreté en intégrant les leçons tirées des accidents de Tchernobyl et Fukushima, tout en travaillant au maintien d'une rentabilité économique supportable.

Parmi les points faibles désormais particulièrement mis en lumière grâce à la représentation de Taïshan (merci CNN) se trouve la vulnérabilité du combustible utilisé dans les réacteurs à eau légère pressurisée ( REP ), dont la robustesse doit être nettement renforcée surtout dans la perspective de l'augmentation de la puissance des installations futures, l'augmentation des taux de combustion et de la puissance linéique, et l'allongement des périodes entre arrêts pour changement de combustible.

( Les épisodes d'arrêts pour renouvellement du combustible pénalisent le facteur de charge d'un réacteur REP d'au moins 10% et parfois beaucoup plus).

Dans les articles précédents nous avons évoqués succinctement la dure existence des crayons de combustibles, dont le taux d'inétanchéité est encore trop élevé, et surtout leur vulnérabilité lors d'accidents comme l'éjection d'une grappe de contrôle (EGC) et/ou d'un APRP, Accident par Perte de Réfrigérant Primaire. Vulnérabilité qui peut être l'événement initiateur d'un accident important.

( Les fuites au réacteur EPR 1 de Taïshan ne sont que l'un des aspects d'un problème récurrent qui révèle la persistance de ce qu'il faut bien appeler une faille de conception puisque ce genre d'incident est ici constaté sur un réacteur neuf de structure classique et dans les conditions nominales d'exploitation, en dehors de toute surcharge ou contrainte accidentelle.

Rappelons que, selon les informations disponibles, L'EPR de Taïshan 1 a bouclé sa première campagne de Décembre 2018 à Juin 2020 ( 16 mois ) sans problème connu. Après arrêt pour changement partiel ( normal ) du combustible, première visite de contrôle, remontage du cœur et du couvercle, la deuxième campagne a commencé en Octobre 2020 pour se terminer prématurément en Juillet 2021 comme on sait.

Cette fuite a été classée événement d'exploitation relativement banal (hélas), et n'est pas classée sur l'échelle INES, qui ne concerne que les incidents ou accidents pouvant mettre en jeu la sûreté.

( c'est peut-être une des raisons de la persistance du défaut, constaté depuis des décennies, pourquoi en effet se préoccuper très sérieusement d'une affaire aussi « banale » ….).

Les réacteurs à eau légère pressurisée utilisent presque exclusivement des gaines (crayons) de combustible et des structures de cœur fabriquées dans un alliage de Zirconium.

( Un choix qui remonte aux calendes grecques puisqu'il fut fait à l'occasion de la construction du premier sous-marin atomique US . Les raisons de ce choix n'ont pas leur place dans ce modeste papier).

Ce matériau a montré ses limites dans sa capacité à résister à des conditions de fonctionnement accidentelles telles que rappelées ci-dessus, et qui ne permettront probablement pas d'aller vers des taux de combustion et des puissances linéiques plus élevées, telles que prévues dans les prochaines générations de réacteurs.

Les générations successives de gainages de combustible basées sur le Zirconium : Zy-1, Zy-2, Zy-4, Zirlo, Zirlo Optimisé de Westinghouse, M5 de Framatome ( Qui équipe les EPR chinois), n'ont toujours pas permis d'obtenir les résultats souhaités pour monter en performances en conservant le niveau de sûreté exigé.

( Dans les alliages à base de Zirconium, celui-ci représente le plat de résistance ( >95% ) , des additifs divers sont chargés de « donner du gôut » au plat final.

On n'a jamais trouvé le bon assaisonnement...)

Il faut donc trouver autre chose.

Cet autre chose est l'objectif du programme EATF ( Enhanced Accident Tolerant Fuel ) qui mobilise les acteurs mondiaux de ce secteur sur la recherche de la meilleure façon d'utiliser le combustible nucléaire pour obtenir la sûreté maximale tout en préservant la compétitivité économique.

( Puisque l'électricité est désormais soumise aux lois du marché, du moins dans les limites du réseau de distribution, lui-même dépendant des liaisons de transport du précieux fluide).

Voici un exemple de démarche de recherches actuelles :

https://www.nrc.gov/docs/ML1931/ML19317D098.pdf

« Analyse et performances requises pour les combustibles nucléaires utilisés à des taux de combustion supérieurs à 62 GWj/tU »(traduction)

PNNL, Richland.

Nov 2019, approved by US-DOE ( Department Of Energy ).

Ce sujet n'est donc pas près d'être épuisé...Sauf si les anti-nucléaires obtiennent satisfaction.

Affaire à suivre.

Les crayons de combustibles nucléaire, talon d'Achille des réacteurs ?

10 Août 2021

Les crayons de combustible nucléaire sont depuis l'origine des réacteurs à eau légère pressurisée (REP) l'objet de préoccupations constantes.

Il y a une bonne raison à cela : ils constituent la première enveloppe qui est directement au contact du combustible nucléaire dont la température peut dépasser 1200 °C selon le régime de charge du réacteur, et beaucoup plus à l'occasion de certains modes transitionnels ; ils supportent également le flot des rayonnements de la fission et de bien d'autres émissions agressives issues des produits de fission, ainsi que les contraintes liées aux gradients de température fluctuant entre 300°C pour l'eau primaire et près de 2000 °C au cœur des pastilles d'oxyde d'Uranium ou de Plutonium, et doivent résister au flot de l'eau primaire qui engendre vibrations et torsions.

On leur demande de résister aux agressions chimiques, radiatives, thermiques et mécaniques de l'eau du circuit primaire et des produits qu'elle contient, et tout cela malgré la très faible épaisseur des parois de la gaine, seulement 0,57 mm.

Leur mission première est de conserver à l'intérieur des gaines le combustible tous les produits de la réaction nucléaire, solides ou gazeux, et ce quelles que soient les conditions résultant de la « combustion » de l'Uranium et/ou du Plutonium et même dans certaines conditions limites.

Aucun crayon de combustible, aussi bien conçu soit-il, ne pourrait résister bien longtemps à ce régime.

Heureusement, dans un réacteur, le combustible est remplacé lorsqu'il est « usé » en sorte que les crayons ne séjournent que quelques années dans l'enfer de la cuve .

Actuellement la durée de séjour est de l'ordre de quatre ans, les crayons étant remplacés par tiers tous les 18 mois environ. Mais ceci peut changer selon le mode de gestion choisi et approuvé par l'ASN ( Autorité de Sûreté Nucléaire).

Le niveau de torture subie par les crayons d'un réacteur dépend de différents facteurs comme le type de combustible ( Oxyde d'Uranium ou Mox ), le taux de combustion choisi (en GWj/t), le régime de fonctionnement ( puissance nominale, suivi de charge, régime faible puissance), etc.

Malgré ces agressions, la gaine du crayon doit demeurer étanche afin de maintenir le combustible et les résidus de combustion radioactifs à l'intérieur.

Il y a plusieurs dizaines de milliers de crayons de combustibles dans un réacteur REP.

( 54 000 dans un réacteur du palier N4 du parc existant, 65 000 dans un EPR).

Que peut-il arriver à un crayon de combustible ?

Sous l'effet des multiples agressions subies dans la cuve (ou en dehors de la cuve) le crayon peut perdre de son étanchéité, se tordre, voire même casser.

Il en résulte les « inconvénients suivants :

Une « simple » fuite entraîne le passage dans l'eau du circuit primaire de produits radioactifs, généralement gazeux ( Xénon, Krypton,...) que l'on peut éliminer par filtrage de l'eau primaire et traiter ensuite comme déchets. Le réacteur peut continuer à fonctionner à condition de surveiller l'évolution du taux des ces produits. Si ce taux devient supérieur aux limites imposées par la réglementation, le réacteur doit être arrêté, et le combustible inspecté pour remplacer le ou les crayons coupables.

Une fuite plus importante peut entraîner l'entrée d'eau dans la gaine et des réactions pouvant entraîner la rupture du ou des crayons concernés, ce qui peut être le début d'un processus conduisant à un accident si les déformations des gaines sont suffisantes pour bloquer la chute d'une ou plusieurs grappes de ralentisseur, compromettant l'arrêt d'urgence du réacteur.

Les gaines ( crayons de combustible ) doivent être suffisamment fiables pour remplir leur fonction pendant la durée de leur séjour dans la cuve.

Elles doivent donc conserver leur étanchéité et leurs caractéristiques mécaniques, et surtout résister un temps minimum à certaines situations accidentelles prévues au cahier des charges, essentiellement pour ne pas entraver la chute des barres de ralentisseur lors d'une mise à l'arrêt d'urgence, et pour ne pas permettre au combustible de se répandre dans l'eau du circuit primaire.

La bonne étanchéité des crayons de combustible est donc un paramètre à surveiller de près .

Un défaut d'étanchéité d'un ou plusieurs crayons est détecté grâce à un dispositif de mesure systématique périodique du taux de présence de certains éléments caractéristiques dans l'eau du circuit primaire.

Selon la valeur du taux mesuré, sa nature, et son évolution dans le temps les seuils critiques sont définis en accord avec l'ASN, et des stratégies correspondantes sont appliquées :

Si le taux traduit une fuite légère, le réacteur peut continuer à fonctionner normalement jusqu'au prochain arrêt programmé pour remplacement de combustible, mais le suivi du taux de fuite est renforcé. Une inspection sera alors effectuée pour caractériser la fuite, et prendre les mesures nécessaires. Le réacteur ne sera re-démarré que lorsque l'origine du problème aura été identifiée, ce qui peut prendre plusieurs mois car le fournisseur du combustible est évidemment impliqué et doit apporter tout les éclaircissements demandés par l'ASN et le client.

Pour un taux de fuite plus important, mais non critique, le réacteur peut continuer à fonctionner comme ci-dessus, mais à puissance réduite et sans utiliser le mode « suivi de charge ».

Pour des taux qui peuvent être en rapport avec un problème grave, le réacteur doit être arrêté dans un délai plus ou moins court suivant le degré d'urgence.

Tout cela est codifié et appliqué au niveau international, mais avec des valeurs de seuils critiques qui peuvent être légèrement différents d'un pays à l'autre.

Compte tenu du nombre de crayons de combustible ( 54 000 dans les réacteurs du palier N4 en exploitation à Chooz et Civaux) et 65 000 dans les deux EPR en train à Taishan, le taux de défaillance de ces crayons doit être très bas pour minimiser le nombre de réacteurs affectés par ce problème.

les crayons de combustible sont montés dans des grilles de maintien appelées « assemblages », chaque assemblage groupant 289 crayons (17x17), dont 264 crayons de combustible et 25 emplacements pour les barres de ralentisseur. Il y a 241 assemblages dans un EPR.

Les barres de ralentisseur de chaque assemblage sont réunies par le haut à une tige de commande actionnée par un dispositif électromagnétique permettant de contrôler la réaction nucléaire et ainsi d'ajuster la puissance.

Ce système permet également l'arrêt d'urgence du réacteur en laissant tomber l'ensemble des barres de ralentisseur. La norme impose un temps de « chute » inférieur à 3 secondes.

Si un ou plusieurs crayons combustibles sont déformés par les contraintes subies la chute des barres de ralentisseur peut être entravée, ce qui peut entraîner des suites accidentelles importantes.

Le taux de défaillance du combustible se mesure par le nombre d'assemblages présentant au moins un crayon inétanche divisé par le nombre d'assemblages similaires en exploitation.

Ce taux affecte évidemment le rendement de production puisque s'il est trop élevé le réacteur doit être arrêté, et un réacteur arrêté ne produit pas d'électricité.

La sécurité hors de l'enceinte de confinement n'est pas affectée par ces fuites dès lors qu'elles sont détectées et traitées selon les procédures définies avec l'ASN.

Cependant, si ces procédures permettent d'éviter toute contamination en dehors de l'enceinte de confinement, des fuites importantes de quelques crayons peuvent se traduire par une contamination interne des éléments en contact avec l'eau du circuit primaire et éventuellement des générateurs de vapeur s'il existe une fuite légère au niveau des échangeurs. Ceci entraînera un risque supplémentaire pour le personnel travaillant dans l'enceinte, risque dont il faudra tenir compte dans la suite de l'exploitation de la tranche.

Il est donc important de ne pas trop attendre pour arrêter un réacteur affecté par ce genre de fuites ou de rupture de gaine.

Les taux de défaillances constatés dépendent du type de réacteur ( pallier ), du combustible utilisé (Oxyde d'Uranium ou MOX), de sa concentration ( 4%, 5%, plus), du type de gaine utilisé pour les crayons (Zircaloy-4, M5 , Zirlo*, Zirlo amélioré...), du mode de gestion du combustible ( Taux de combustion en GWj/t ), de la puissance linéique recherchée, du mode d'exploitation du réacteur ( puissance constante ou mode suivi de charge), de la conception du réacteur lui-même, etc, et bien sûr du fournisseur.

*Zirlo est fabriqué par Westinghouse.

Le matériau utilisé dans le parc français pour les gaines et les grilles d'assemblage, y compris les EPR, est le M5, qui est une « amélioration » du Zircaloy 4 pour la meilleure tenue* aux contraintes en exploitation.

*Ces différentes versions du matériau de gainage du combustible traduisent la préoccupation permanente concernant la résistance des crayons de combustible aux agressions subies en exploitation.

Depuis l'origine de la technologie du nucléaire civil, des améliorations ont été apportées concernant la sécurité, mais aussi la compétitivité économique.

Pour ce second aspect, il existe une tendance générale portant sur plusieurs facteurs :

La durée d'exploitation des réacteurs : de 40 ans à l'origine, cette durée sera portée à 60 ans, puis 80 ans pour la génération IV.

La puissance des machines, passée de 900 MW à 1 300 MW, puis 1 400 MW pour le pallier N4, et enfin 1 650 MW pour l'EPR.

L'augmentation des taux de combustion, de 40 GWj/t vers la perspective des 80 GWj/t .

L'allongement des « campagnes » de production et le raccourcissement des périodes d'arrêt pour changement de combustible afin d'améliorer le facteur de charge.

Certaines de ces « améliorations » durcissent les contraintes imposées aux gaines de combustible et sont susceptibles d'impacter le taux de défaillance, la recherche du mieux est parfois l'ennemi du bien...

Le problème des fuites de crayons de combustible est récurrent, et pas nouveau si l'on en croit le rapport suivant de l'ASN :

https://www.irsn.fr/FR/Actualites_presse/Actualites/Documents/irsn_surete-parc-2008_gainage-combustible-M5.pdf

Bonne lecture.

Un coup de jeune pour les crayons de combustible nucléaire.

28 Juillet 2021

440 réacteurs nucléaires sont en exploitation dans le monde, ces réacteurs produisent 10% des besoins mondiaux en électricité.

50 nouveaux réacteurs sont en construction.

Si l'on s'en tient à la réalité du terrain, et au-delà de toute considération morale et/ou écologique, force est de constater qu'il existe un marché pour l'électricité nucléaire, et que ce marché est plutôt dynamique.

Une deuxième évidence est le caractère décarboné de cette production, qui lui a valu d'être reconnue par le GIEC conforme aux exigences de la transition énergétique.

Une troisième évidence est son aptitude à fonctionner en « base » et en mode « suivi de charge » apte à participer aux « réglages systèmes » du réseau.

Une quatrième évidence est que, dans un contexte de retrait des énergies fossiles, le nucléaire sera la seule source décarbonée disponible en base.

(L'éolien et le solaire ne fonctionnent pas en base, et l'énergie de la biomasse est à carbone recyclable, et seule la version de troisième génération, non disponible, sera neutre par rapport à l'utilisation des sols).

Malheureusement, il existe une cinquième évidence, c'est le risque incontestable que cette technologie nucléaire représente pour l'environnement et les populations présentes et futures.

La production d'électricité nucléaire représente aujourd'hui 2,3% de la consommation finale mondiale d'énergie, toutes énergies confondues.

( 2 700 TWh sur 116 000 TWh).

Devant cette part aussi faible, on peut se demander si la querelle autour du nucléaire n'est pas une discussion sur le sexe des anges.

Mais pour juger de son intérêt pour l'avenir il faut se placer dans les conditions telles que prévues par la transition énergétique, c'est-à-dire dans un contexte de retrait des énergies fossiles.

Aujourd'hui les fossiles représentent 80% de la consommation d'énergie finale ; cette part est donc appelée à disparaître.

Par rapport au reste le nucléaire représentera non pas 2,3% mais 11,5%, ce qui est déjà significatif.

La disparition ou la pérennité du nucléaire, dépendra d'une part du succès de la campagne contre les sources fossiles d'énergie, et d'autre part de la capacité des énergies renouvelables à se substituer à ces sources fossiles dans les délais impartis.

Ces deux conditions ne sont pas remplies aujourd'hui, loin s'en faut, et l'avenir est loin d'être clair.

Les prévisions sur l'évolution de la demande d'énergie électrique et sur la transition énergétique ne manquent certes pas, mais elles sont basées sur des scénarios qui oscillent entre l'optimisme et le pessimisme, ce qui revient à ne rien prévoir du tout.

Il s'agit alors non plus de prévisions mais de prédictions, qui sont plutôt du ressort de Mme Irma.

Par ailleurs la courbe de croissance triomphante de la demande d'énergie fossile en dit long sur l'empressement du monde à vouloir (pouvoir?) abandonner cette manne.

Quoi qu'il en soit, et compte tenu de cette incertitude sur l'avenir, il est fort probable qu'avant d'ordonner l'extinction des réacteurs existants et de stopper tout nouveau développement dans ce domaine, les responsables politiques y regarderont à deux fois, sachant que l'électronucléaire est à ce jour la seule solution pour disposer d'une énergie de base et décarbonée.

Néanmoins certains pays adoptent une politique de dénucléarisation, plus ou moins politisée :

L'Allemagne, qui a placé 80% de son parc nucléaire définitivement à l'arrêt, tente de démontrer que sa production d'électricité pourra être décarbonée tout en renonçant aux énergies fossiles.

Le suivi de cet expérience sera du plus grand intérêt …

Surtout depuis la mise en service le 30 Mai 2021 d'une nouvelle centrale à charbon de 1100 MW!

Comprenne qui peut...

De son côté la France a promis de réduire la part de sa production nucléaire à 50 % de sa production électrique. Mais la date de cette occurrence est assez vague, comme d'ailleurs la production de référence (50% de quoi?).

Pour l'instant seuls les deux réacteurs les plus anciens (Fessenheim) ont été effectivement mis à l'arrêt. Certains mauvais esprits prétendent que c'est davantage pour des raisons techniques que par choix politique.

Concrètement, 97 % du parc nucléaire français est toujours en exploitation, et l'EPR va prochainement remplacer les deux vieilles chaudières mises au rebut.

Comprenne qui peut...

Au Japon l'incertitude règne, pour des raisons évidentes. Suite au drame de Fukushima, ce pays a mis à l'arrêt 54 réacteurs, et seulement 9 ont été reconnectés au réseau. Le redémarrage des autres est envisagé par le Gouvernement lorsque les conditions de sécurité seront satisfaisantes.

https://www.sfen.org/rgn/fukushima-ans-redemarrage-parc-nucleaire

Le IEC a récemment déclaré que la technologie nucléaire est compatible avec les objectifs de la transition énergétique.

Par contre la Commission Européenne se fait tirer l'oreille et renacle à décerner à l'électronucléaire le caractère d'énergie verte.

En bref, il y a des « pour » et des « contre »...

Comprenne qui peut...

Les tenants du nucléaire font remarquer que c'est la seule technologie décarbonée capable de soutenir en base la production d'énergie renouvelable.

Cette histoire de stockage de masse de l'électricité afin de compenser l'intermittence de l'éolien et du photovoltaïque, et de prendre le relais de l'hydroélectrique en manque d'eau, c'est un peu l'arlésienne, ce qui ne rassure pas vraiment les responsables de l'approvisionnement électrique.

Par contre, ils voient très bien un système dans lequel le vent, le soleil, la biomasse, et l'atome, se partageraient la tâche en étant complémentaires plutôt qu'ennemis.

Les énergéticiens n'ont rien contre les centrales thermiques, mais à conditions qu'elles soient équipées pour la technologie CSC si elles brûlent du Gaz naturel (et pourquoi pas du charbon ou du fuel), ou qu'elles utilisent un combustible vert comme le biogaz ou de la biomasse.

Si dans le futur* les énergies renouvelables apportent la preuve de leur efficacité et de leur capacité à répondre aux demandes, alors il sera bien temps de programmer la fin du nucléaire « classique ».

*Un point devrait être fait vers le milieu de ce siècle. Il concernerait également l'état d'avancement des technologies de la fusion, de l'exploitation de l'Hydrogène naturel, des techniques de capture et séquestration du Carbone, et des résultats sur la recherche dans le domaine des LENR.

Dans cette perspective, les travaux sur le nucléaire continuent, et en particulier la recherche sur l'amélioration de la sécurité, puisque cette préoccupation demeure au centre de cette technologie.

Les contradictions de ce secteur disparaissent lorsque l'on considère le calendrier.

L'échelle de temps à prendre en compte pour réaliser la transition énergétique est celle qui nous mène à la fin de ce siècle.

2050 ne sera en aucun cas un aboutissement, tout au plus la fin d'une étape importante qui permettra de confirmer, ou pas, l'efficacité des stratégies mises en place.

Il serait prématuré de décider aujourd'hui la sortie du nucléaire alors que cette technologie est la seule qui soit à la fois décarbonée et apte à compenser l'intermittence des renouvelables.

D'autre part, mais ceci est une autre histoire, la sécurité du nucléaire exige l'excellence à tous les niveaux, ce qui serait difficile à assurer dans une ambiance de fin de partie. Les meilleurs éléments quitteraient le navire pour aller dans des branches plus porteuses. Les éléments seraient alors réunis pour créer des conditions non propices à la sécurité maximale.

Il serait désastreux que le nucléaire finisse en feu d'artifice...

Mais ne nous égarons pas.

Si le maintien du nucléaire était décidé, le renouvellement du parc serait une nécessité, ce qui représente une décision très difficile à faire accepter dans certains pays.

Le nucléaire civil est exploité depuis 65 ans.

Durant les trois premières décennies il ne fut déploré aucune catastrophe ou accident majeur, ce qui a témoigné d'une bonne maîtrise de la technologie; mais dans le même temps se développait une confiance peut-être excessive dans notre capacité à anticiper les problèmes et à prendre au sérieux des risques que d'aucuns n'hésitèrent pas à qualifier d'imaginaires.

L'exemple emblématique de ces biais cognitifs fut l'adoption du principe d'exclusion de rupture de cuve, qui simplifiait évidemment beaucoup la conception des centrales, et permettait de substantielles économies.

Un autre exemple fut le choix de construire des centrales sur un littoral menacé par la présence connue d'un importante faille sismique en face de la zone d'implantation.

Et puis ce furent Tchernobyl en 1986 et Fukushima en 2011*, qui sonnèrent la fin de la récréation en mettant fin aux illusions des ingénieurs trop confiants dans les prévisions optimistes qui conduisent à préférer un risque assumé dès lors qu'il réduit le coût du chantier.

*D'autres accidents similaires se sont produits notamment pendant la guerre froide, mais n'ont pas « bénéficié » de la même publicité, sauf peut-être Three Mile Island.

La caution du MTBF (Mean Time Between Failures) est perverse en ce sens que les données sont fournies par des modèles et que ceux-ci sont « éduqués » par ceux-là mêmes qui en attendent des résultats, en sorte que le chat se mord la queue.

Chat échaudé craint l'eau froide ; Fukushima a frappé les esprits et déclenché un mouvement de remise en question de l'approche de la sûreté sans mettre de côté un élément de risque sous prétexte que sa prise en compte ne paraît pas indispensable parce que les statistiques disent que... et que cela coûterait trop cher.

(Il a suffit qu'une vague de tsunami atteigne 14 m au lieu des 7m prévus par les « spécialistes », et hop...)

De nouvelles normes de sécurité ont été émises.

Il est résulté de ces nouvelles normes la nécessité de procéder à des travaux très

importants sur à peu près toutes les installations ; certaines ont dû être fermées car incompatibles avec les nouveaux standards.

Les nouvelles installations intègrent maintenant ces nouvelles règles, et les installations d'avant Fukushima ne pourront être prolongées au-delà de quarante ans qu'après vérification et approbation des travaux de renforcement effectués.

Et ceci concerne également le combustible , comme en témoigne l'extrait ci-dessous :

Toute l’attention s’est alors focalisée sur le processus de dégradation physique et chimique de la gaine au Zircaloy (Große et al., 2012) et sur les alternatives pour une éventuelle mitigation (US Senate, 2011; Griffith, 2011).

https://publications.polymtl.ca/3181/1/2018_AhmedNaceur.pdf

L'affaire de la fuite à l'EPR de Taïshan prouve la persistance du problème représenté par la grande vulnérabilité du combustible des réacteurs à eau pressurisée.

Des dizaines d'années d'expérience ont conduit à la mise au point de crayons de combustible offrant une fiabilité satisfaisant les exigence de l'ASN dans les condition d'utilisation normales.

Sans toutefois être éliminé complètement, le problème des crayons « fuitards » a pu être réduit considérablement, il est aujourd'hui très rare, et la procédure d'intervention est parfaitement maîtrisée.

A condition d'appliquer les règles définies par l'autorité de sûreté nucléaire, ce qui semble poser problème à Taïshan...

Mais, depuis Fukushima, les règles de sécurité sont devenues plus sévères et notamment la résilience du combustible doit être nettement améliorée pour lui permettre de mieux résister aux accidents de réactivité et aux éventuels événements de dénoyage d'une partie du cœur.

D'abord il est nécessaire de renforcer leur tenue au phénomène de fragilisation par hydruration à partir de l'Hydrogène de l'eau primaire, et par les contraintes mécaniques et thermiques subies à cause des importants gradients de température au niveau des pastilles de combustible, particulièrement en régime de suivi de charge qui sera durement sollicité pour compenser l'intermittence des renouvelables.

Ensuite ce renforcement des gaines est exigé pour garantir la tenue dans les conditions de taux de combustion augmenté (60% et plus) et avec un séjour plus long du combustible dans les cuves.

Ils sont également destinés à permettre la certification de certaines centrales pour une prolongation de leur durée d'exploitation.

Dans le même but la composition du carburant nucléaire lui-même sera modifiée pour lui donner une meilleure tenue mécanique aux hautes températures.

Ce programme est notamment pris en charge par une « joint venture » associant Framatome* et Lightbridge (US) en vue de mettre au point le nouveau combustible « métallique ».

General Electric et Westinghouse participent par ailleurs à la mise au point de ce nouveau carburant et du nouveau matériau de gaine pour aboutir sous l'égide du DOE au « Global Nuclear Fuel » encore appelé ATF ( Accident Tolerant Fuel).

L'introduction commerciale est prévue pour 2025, les validations sont faites sur l'Advanced Test Reactor dans le « Idaho National Laboratory ».

*Rappelons que les principaux actionnaires de Framatome sont EDF (75,5%) et MHI (Mitsubishi Heavy Industrie) pour 19,5%.

L'affaire divulguée par CNN se révèle un pétard mouillé puisque ce problème de tenue des gaines de combustible est un marronnier qui occupe tous les centres de recherche nucléaire mondiaux depuis des décennies, et qui n'est pas prêt de se résoudre puisque la tendance est à l'augmentation des taux de combustion et de l'espacement des remplacements de combustible, ceci afin d'améliorer l'efficacité et donc de réduire les coûts.

Par delà les controverses autour de la technologie nucléaire, le secteur poursuit donc son développement et ne semble pas disposé à rendre les armes sans combattre.

Le combustible nucléaire n'a donc pas fini de faire parler de lui.

16 Juillet 2021

Euro 7, l'arme ultime contre le moteur thermique ?

Les normes européennes antipollution ont pour objectif d'inciter les constructeurs à réduire à la fois l'empreinte carbone et les émissions polluantes de leurs véhicules.

Pour introduire la notion de progressivité indispensable à l'Industrie, il fut décidé de procéder par paliers avec une nouvelle édition tout les cinq ans environ, dans le sens d'un durcissement bien entendu.

Cette décision contient ainsi la perspective inéluctable de l'éviction du moteur thermique malgré les progrès permis par la technologie, la seule inconnue étant la date fatidique de cette mort inscrite en filigrane.

Avec Euro6 les constructeurs avaient déjà senti le vent du boulet.

L'édition Euro7 en cours d'élaboration, semble bien décidée à achever la bête.

En effet, dans son principe le moteur thermique est gros émetteur à la fois de CO2 et de polluants, que les meilleures prouesses technologiques ne pourront jamais éliminer complètement.

Euro7 sera applicable en 2025, mais les premières informations laissent penser que le moteur thermique aura bien du mal à y satisfaire.

Les constructeurs doivent dès maintenant décider d'une stratégie apte à gérer cette menace.

Certains ont choisi de ne faire que de l'électrique, d'autres vont tenter de garder les deux technologies, il faut toujours garder deux fers au feu dit-on dans nos campagnes.

A ce coup fatal asséné par Euro7 vient s'ajouter la décision de généraliser les ZFE (Zones à Faibles Emissions), ce qui laisse peu d'espoir pour le thermique.

Bien sûr, comme à l'accoutumée il y aura des arrangements avec le ciel bruxellois ; Le nouveau cycle d'homologation saura se montrer indulgent, un vigoureux lobbying est déjà à l’œuvre dans les couloirs et quelques dérogations bien négociées nous donneront un petit délai.

On pourrait aller jusqu'en 2030 sans trop de dégâts.

Mais le verdict est sans appel, nous devons nous préparer à passer à autre chose.

Actuellement la seule solution de remplacement qui remplit le cahier des charges euro7 sans tricher est le VEBER , Véhicule Electrique à Batterie à Electricité Renouvelable.

( En espérant que nous sera épargnée la solution à batterie rechargée par du courant issu de centrales à charbon ou à Gaz naturel !!!).

Tout autre solution genre hybride serait évidement une imposture puisque ces objets comportent un moteur thermique. Espérons que leur prix suffira à les écarter du marché, mais les accommodements avec le WLTP sont tels qu'il faut s'attendre à tout.

On ne change pas de voiture comme de chemise.

En France, le parc compte 35 millions de véhicules légers renouvelés au rythme de 2 millions par an ; il faut environ 20 ans* pour un renouvellement à peu près complet du parc dans les conditions économiques actuelles.

dont au moins cinq ans pendant lesquels les deux technologies coexisteront.

Les immatriculations de VEB ( Véhicules Electriques à Batterie) représentent aujourd'hui environ 5% du total des achats de voitures neuves ; il s'agit donc d'un marché encore émergent, malgré déjà dix ans d'existence et une promotion vigoureuse soutenue par une politique d'incitation financière jamais vue dans l'Histoire.

Clairement la clientèle ne se précipite pas au portillon, lui préférant les modèles hybrides* qui procurent la sécurité de la ceinture avec les bretelles, malgré leur prix nettement plus élevé.

*les hybrides sont appelés à disparaître dans la logique de l'Euro7 qui sous tend l'élimination des moteurs thermiques.

( mais le marché de l'Automobile est-il logique?)

Avant de songer à virer le moteur thermique du marché, l'électrique devra donc d'abord se faire sa place auprès de la clientèle qui, pour l'instant, ne se précipite pas malgré les primes alléchantes. Pour cela il devra apporter la preuve de son aptitude à corriger ses défauts de « jeunesse » : Une autonomie effective insuffisante, des structures de rechargement des batteries encore très insuffisantes avec une gestion chaotique, un temps de charge très long, une grande sensibilité à la température, et toujours un seul rapport de transmission incompatible avec la route.

Si tout cela se passe bien, le VEB pourrait devenir majoritaire dans les ventes de véhicules neufs dès 2030, et faire cavalier seul dès 2045 avec un parc entièrement électrifié.

Nous devons donc nous préparer à subir au moins vingt ans de guerres de tranchées entre le monde aseptisé par l'Euro7 et les ZFE, et le monde du tout venant « condamné » économiquement à s'arrêter aux panneaux d'entrée des villes avec leur « vieille » guimbarde, faute de pouvoir renouveler leur voiture.

(Les prime à l'achat d'un VE ne sont pas un modèle économiquement viable pour des raisons de distorsion de concurrence et de coût exorbitant ).

D'ici 2040 d'autres solutions peuvent émerger, notamment la voiture à Hydrogène et pile à combustible, qui est une composante de la filière Hydrogène dont la dynamique est prometteuse compte tenu du besoin de stockage de l'électricité renouvelable, et des besoins de l'Industrie en Hydrogène.

(Rappelons que l'Hydrogène est aujourd'hui fabriqué à partir des fossiles, donc non conforme aux nouveaux critères).

La voiture à Hydrogène sera également une voiture électrique, son Hydrogène étant issu de l'électrolyse de l'eau par l'électricité.

(Il existe bien une perspective d'Hydrogène naturel, mais encore trop incertaine pour figurer dans une stratégie industrielle).

Si ce magnifique plan se réalise, nous aurions donc en 2045/2050 environ 35 millions de voitures électriques.

(Le « si » est hélas de rigueur )

Ces véhicules consommeront annuellement environ 100 TWh d'énergie électrique.

(Sur les bases de 12 000 km/an et l'équivalent de 20 kWh aux 100 km, et même plus en comptant les pertes liées à l'électrolyse et aux rendements de transport et transformation et de recharge des batteries).

Cette énergie sera équivalente à la production de 8 centrales électriques de 1 650 MWe chacune ou encore environ 3 600 grosses éoliennes offshore de 8 MW.

A titre de comparaison les 6 parcs éoliens offshore prévus sur la côte atlantique produiront au total environ 10 TWh, et de manière intermittente.

(S'ils sont construits un jour, ce dont on peut douter eu égard à la bronca soulevée par les riverains ).

Pour réussir ce grand basculement, le problème n'est pas la voiture électrique en elle-même, les ingénieurs savent faire, y compris avec des piles à combustible.

(de toutes manières, si nous ne savons pas faire, d'autres se chargeront de nous en vendre....)

Le vrai problème est de trouver l'énergie électrique pour les faire rouler.

Pour produire ce supplément d'électricité, il faut trouver des sources d'énergie :

Les fossiles étant bannis par définition, il nous reste l'éolien, le solaire, la biomasse et/ou le nucléaire.

(Les biocarburants ne sont pas la solution puisqu'ils nécessitent un moteur thermique, celui-là même dont la mort est programmée).

En France le nucléaire est rejeté par les anti-nucléaires, et l'éolien est rejeté par les anti-éoliens.

Il reste le solaire et la biomasse.

On ne voit pas très bien comment ces deux sources pourraient fournir les 600 TWh nécessaires pour satisfaire la demande annuelle en 2040 incluant les voitures électriques, et sur la base d'une consommation stable dans les autres secteurs.

L'analyse conjointe de RTE et de l'ADEME estime le besoin énergétique de l'électromobilité à 48 TWh en 2035, sur l'hypothèse conservative de 15,6 millions de véhicules.

Ces chiffres confirment notre analyse, 2035 n'étant qu'une étape où la pénétration du marché ne serait que de 44 %, soit moins de la moitié de l'objectif post 2040 qui demeure de 100%.

L'évaluation des besoins doit donc bien porter sur 100% du parc et non pas sur 44%, ce qui nous donne plus de 100 TWh à l'issue du processus de remplacement, vers 2050.

2050 est un terme relativement proche en terme de développement de grosses infrastructures concernant la production d'énergie renouvelable, quels que soient les solutions adoptées ( Eolien, Solaire, Biomasse, Nucléaire), avec les moyens de stockages associés.

N'oublions pas que, en plus des besoins d'énergie électrique pour les voitures, il faudra également compenser le retrait progressif des fossiles dans les autres secteurs, dont une bonne partie basculera sur l'électrique, ce qui entraînera un accroissement de la demande, au moins encore 100 TWh de plus...

De ce fait, le besoin total de la France en électricité pourrait bien atteindre 700 TWh en 2050.

Les rares évaluations des besoins pour 2050 s'en tiennent à 550 TWh, pourquoi ?

Il serait très malsain de bâtir aujourd'hui une stratégie énergétique sur des données outrageusement sous-évaluées.

On ne peut pas à la fois décréter la suppression du moteur thermique et mettre de côté l'accroissement inévitable du besoin d'électricité qui en résultera.

( Le calcul fait pour la voiture électrique peut être fait également pour les pompes à chaleur).

Toute cette belle stratégie est conditionnée par de nombreux facteurs dont l'évolution n'est pas maîtrisée aujourd'hui ; en voici quelques-uns :

1 -La consistance de la politique du Gouvernement en matière d'annonces et de réalisations concrètes. Particulièrement la mise en œuvre des ZFE, les conditions d'applications de la norme Euro7 (notamment concernant les véhicules hybrides), et les dérogations accordées aux constructeurs (encore une minute Monsieur le bourreau).

2- L'acceptation, ou pas, par les citoyens, des mesures restrictives et financières d'accompagnement du programme de transition énergétique (effet gilets jaunes).

3 - Le développement du réseau de recharge des batteries, la normalisation des interfaces techniques et des moyens de paiements.

4 - Le régime de taxation qui sera appliqué à l'énergie électrique pour la mobilité.

5- L'évolution du prix des carburants pétroliers et de la taxe carbone, plus ou moins dissuasifs.

6- L'évolution des caractéristiques techniques des véhicules électriques ( autonomie réelle, fiabilité, performances des batteries, service après vente, etc).

7- Evolution de leur prix et pérennité ou pas des divers bonus, évolution des conditions financières (achat ou location, batterie incluse ou pas, etc).

8- Introduction, ou pas, de véhicules à Hydrogène et pile à combustible*, ou tout autre solution alternative qui viendrait concurrencer le VEB.

*Cette solution ne supprimera pas le besoin spécifique en électricité puisque pour faire de l'Hydrogène il faudra de l'électricité. Il en faudra même davantage à cause du rendement des électrolyseurs.

9- Conditions de revente sur le marché de l'occasion.

10- Evolution de la situation économique, du pourvoir d'achat, et des divers autres postes de dépenses liés à la transition ( Isolation des logements, remplacements des chaudières, augmentation du montant des loyers, des tarifs de l'énergie, précarité des emplois, etc).

Eventuellement mise en place de la tarification progressive de l'énergie.

Le nombre des facteurs non maîtrisés impactant le passage à la mobilité électrique incite les prévisionnistes à beaucoup de modestie, mais cette incertitude ne doit pas justifier l'immobilité des pouvoirs publics.

En France l'horizon est obscurci par l'incertitude de la politique nucléaire. La réorganisation de EDF ( projet « HERCULE » devenu « Grand EDF » ) est en fait soumise aux bon vouloir le la Commission de Bruxelles, ce qui revient à reporter hors frontières toute décision concernant notre transition énergétique.

De plus, malgré la position plutôt favorable du GIEC sur l'intérêt du nucléaire comme énergie décarbonée, Bruxelles refuse toujours de l'admettre dans la liste verte, donc de l'ouvrir aux financements européens.

Ce qui ne manque pas de réjouir les concurrents américains, russe, et chinois...

Tant que cet imbroglio n'est pas résolu, il est évidemment impossible de poser les bases sérieuses d'un programme de développement des énergies renouvelables.

Si ce cirque perdure, il deviendra de plus en plus probable que l'électricité pour actionner nos nouvelles autos devra être achetée à l'étranger.

Heureusement, RTE a entrepris des travaux avec l'objectif de doubler nos capacités d'échanges transfrontaliers dès 2035.

La dure existence d'un crayon de combustible en REP.

28 Juin 2021

Dans son principe de base, un réacteur à eau pressurisée ( Tous ceux de notre parc nucléaire, ainsi que les modernes EPR) est apparenté à une vieille chaudière de chauffage central à charbon.

Mais au lieu d'utiliser des boulets au charbon on utilise des pastilles d'Oxyde d'Uranium, avec parfois un peu de Plutonium.

Bien sûr la chaudière est moderne et adaptée au combustible qui est un peu spécial.

Ce combustible nucléaire est en effet extrêmement délicat à manipuler.

Un combustible ordinaire ( Bois, charbon, gaz, hydrocarbure ) a besoin d'un apport extérieur d'oxygène pour brûler et dégager de la chaleur qui est évacuée pas les gaz de combustion.

Privé d'oxygène il s'éteint.

Le combustible nucléaire est différent, il n'a besoin d'aucun apport extérieur pour brûler, il se suffit à lui-même dès lors qu'il est allumé.

Et cet allumage n'est pas très difficile...

Il peut même s'allumer tout seul dans la nature lorsqu'il est présent dans certaines conditions de concentration et d'environnement. Voir notamment « Réacteur naturel l'Oklo ».

Le combustible utilisé dans les REP est de l'Uranium 235.

Cet atome est « fissile ». Lorsqu'il est heurté par un neutron, il l'absorbe et se brise en deux morceaux qui sont éjectés avec vigueur, emportant une grande énergie cinétique.

Cette énergie cinétique correspond à de la chaleur, la chaleur d'un corps n'étant que le niveau de l'énergie cinétique de ses particules.

C'est cette chaleur qui va chauffer l'eau.

Les « morceaux » résultant du choc sont les « produits de fission », dont la nature est très diverse selon le partage du noyau, plusieurs dizaines d'espèces dont certaines sont radioactives et/ou fissiles.

Cette collision est également accompagnée de l'émission de rayons X et/ou Gamma, c'est la radioactivité.

Pour éviter de déclencher une réaction en chaîne préjudiciable à l'environnement, il y a lieu d'éviter d'utiliser de l'U235 trop concentré et choisir de rester très en dessous de la masse critique.

Dans les réacteurs REP l'enrichissement de l'Uranium est d'environ 4% « seulement ».

Malgré ce faible taux de concentration, lorsque la réaction est amorcée (divergence) il faut la contrôler pour éviter un emballement dont les conséquences seraient désastreuses car la température atteindrait des valeurs extrêmes telles que les installations seraient détruites avec dispersion de produits radioactifs dans l'environnement ( Fukushima, Tchernobyl ).

Cependant le risque d'explosion du combustible nucléaire n'existe pas dans ces conditions de concentration réduite.

( Si des explosions se produisent éventuellement dans une centrale, elles sont dues à l'inflammation de produits gazeux tels que l'Hydrogène, formés par la réaction d'oxydation.

Il est donc nécessaire de contrôler la combustion de très près pour maintenir les paramètres à l'intérieur d'une zone correspondant à la puissance voulue en ajustant le contrôle en fonction de l'usure du combustible, et des informations transmises par l'instrumentation placée dans la cuve.

Pour contrôler la combustion, il faut donc maîtriser le flot de neutrons qui doit être suffisant pour obtenir la puissance voulue, mais sans dépasser la valeur critique.

Cela est fait en utilisant des produits absorbeurs de neutrons comme le Cadmium, le Bore, le Gadolinium, qui jouent le rôle de « poisons à neutrons », tout en émettant très peu de radioactivité.

Pour que ce contrôle soit efficace et homogène, il faut que le combustible soit conditionné en petits granulés, lesquels doivent être disposés de manière à être facilement influencés par les ralentisseurs afin d'avoir un contrôle homogène et sans points chauds.

Pour cela le combustible est conditionné en petits « pellets » de 8 x10 mm environ, lesquels sont enfilés dans des tubes appelés « gaines de combustible », l'ensemble formant un « crayon » , lesquels crayons sont disposés verticalement dans la cuve et solidement maintenus par une structure métallique appelée « assemblage » ou « grappe ».

Un espace est ménagé entre les gaines pour permettre le passage des barres de ralentisseur constitués d'un alliage de Cadmium, Argent et Indium.

Les grappes de barres sont manœuvrées de l'extérieur à travers le couvercle de cuve grâce à des électroaimants. En cas de perte l'alimentation électrique, les barres retombent au fond du cœur, arrêtant ainsi la réaction nucléaire ( sécurité).

Ces grappes constituent l'organe de ralentissement et de contrôle principal de la réaction. Elles peuvent intervenir sans délai, et éventuellement très vite en cas d'urgence ( temps de chute inférieur à deux secondes).

Le deuxième procédé de contrôle consiste à introduire de l'acide borique dans l'eau du circuit primaire, avec un temps de réponse plus long.

Les barres de contrôle et le Bore servent à la fois de frein et d'embrayage.

Les crayons de combustibles constituent donc le cœur du réacteur.

Ils se présentent sous la forme d'un cylindre (gaine) d'environ 4 m de longueur pour un diamètre extérieur de 9,5 mm, forgé dans un alliage de Zirconium.

L'épaisseur de la paroi d'une gaine est de 0,6 mm.

Le Zirconium a été choisi en raison de sa grande perméabilité aux neutrons, et des ses qualités métallurgiques.

Dans ce cylindre sont enfilés les pellets d'oxyde d'Uranium dont la consistance est celle d'une céramique.

Chaque réacteur contient plusieurs milliers de crayons.

( Le parc français contient 2,8 millions de crayons en service dans 58 réacteurs).

L'ensemble des crayons est immergé dans la cuve au sein de l'eau du circuit primaire.

En fonctionnement normal le débit de l'eau primaire est de l'ordre de 70 m3/s, soit le débit d'un cours d'eau moyen.

La pression de cette eau est de 155 kg, ce qui permet de porter la température à 300°C sans atteindre l'ébullition.

Les crayons de combustible, exposés à ce violent courant d'eau à 300 °C, doivent résister pour garder leur intégrité. En effet les produits de combustion des pastilles d'oxyde d'Uranium et les produits de fission doivent demeurés confinés à l'intérieur des gaines pour éviter de contaminer l'eau primaire.

Les gaines de combustible constituent la première barrière de sécurité.

Or ils subissent de nombreuses contraintes :

Contraintes mécaniques :

La pression de l'eau dans la cuve est de 155 kg. La pression initiale à l'intérieur des crayons neufs est d'environ 30 kg (Helium) ; ce différentiel de pression est en lui-même une contrainte importante compte tenu de la faible épaisseur des parois de la gaine ( 0,6 mm).

En fonctionnement normal la combustion d'U entraîne la déformation des pastilles de combustible avec relâchement de produits de fission gazeux et pression exercée sur la parois de gaines.

Ces contraintes sont fluctuantes en fonction des gradients de température dans la pastille, liés aux variations de charge ( puissance du réacteur) et en fonction du taux de combustion.

Les crayons sont maintenus en place par des grilles métalliques aménagées pour laisser la libre dilatation et pour permettre le libre passage des barres de ralentisseur pour la modulation de la puissance. De plus la longueur et la minceur des gaines est propice aux vibrations causées par le fort débit de l'eau ; il peut en résulter des détériorations.

Au cours de la vie du réacteur on constate la présence de divers « corps migrants » dans le circuit primaire, qui peuvent endommager une ou plusieurs gaines si le « ménage » n'a pu être effectué correctement au cours du précédent contrôle. Rappelons que le courant d'eau est puissant puisqu'il passe plusieurs dizaines de m3 par seconde.

Contraintes thermiques :

Les pastilles de combustible peuvent atteindre des températures très élevée en fonctionnement normal, typiquement plus de 1000 °C à coeur. Cette température varie selon la puissance demandée, et même d'un point à l'autre d'une pastille. Au cours de la vie du combustible les pastilles se dilatent, se fracturent, émettent des produits de fission qui en principe sont censés rester confinés dans la gaine. Elles imposent des contraintes aux gaines qui doivent les supporter en conservant l'étanchéité.

Les excursions de température sont difficilement supportées au-delà de 900°C.

Au-delà de 900 °C on note des pertes d'étanchéité des gaines qui laissent alors passer les produits de fission gazeux ( Xenon, Krypton).

Au-delà de 1 200 °C il se produirait un interaction de l'eau avec le Zirconium avec dégagement d'Hydrogène.

Au-delà de 1 800 °C on observerait la fusion des gaines et des structures en acier.

A 2 500 °C le combustible fond et nous avons une situation pré-Fukushima.

La température du combustible est donc surveillée de près grâce à des sondes ad-hoc et une surveillance permanente du taux de présence des produits de fissions dans l'eau primaire.

Contraintes chimiques :

Aux températures de fonctionnement évoquées il se produit diverses réactions chimiques aux interfaces des gaines avec le combustible d'une part, et avec l'eau d'autre part, même en l'absence d'événement incidentel. Les gaines ainsi exposées se trouvent fragilisées et donc vulnérables à la corrosion.

Contraintes d'irradiation.

« Lors de leur séjour en réacteur, les gaines subissent les effets de l’irradiation neutronique et sont oxydées par l’eau du circuit primaire (eau liquide entre 280 °C et320 °C sous 155 bars, acide borique H3BO3, Hydrogène). L’irradiation conduit à la création de défauts microstructuraux. L’oxydation libère notamment de l’Hydrogène dont une partie diffuse dans le métal et, une fois la limite de solubilité de l’Hydrogène atteinte, précipite sous forme d’hydrures de zirconium. Ces modifications microstructurales, croissantes en fonction du taux de combustion, dégradent les propriétés mécaniques du matériau. »

Voir :

(https://pastel.archives-ouvertes.fr/file/index/docid/395361/filename/LeSaux_manuscrit_these.pdf)

Toutes ces contraintes font des gaines de combustible, un cœur de réacteur vulnérable.

Cette vulnérabilité est compensée par la faible durée du séjour des crayons combustibles dans un réacteur ( quelques années, le combustible est renouvelé par tiers tous les dix-huit mois), et par une surveillance continue de l'eau du circuit primaire qui permet de détecter les premiers indices d'une pollution provenant d'une fuite au niveau des gaines de combustible. Il s'agit du dosage des résidus de produits ( comme le Xénon ) caractéristiques d'une fuite de gaine(s).

(Le xenon et un produit de la fission de l'U235)

Une fuite « signée » est caractéristique d'un problème au niveau d'une ou plusieurs gaines de combustible.

Mais lesquelles, quelle est la cause de cette fuite, et quelle évolution peut-on craindre ?

Pour avoir des éléments de réponse il faut arrêter le réacteur, démonter tous les appareillages du dessus de la cuve, enlever le couvercle de cuve, retirer les grappes de crayons contenant le combustible, les placer en piscine, et analyser les composants suspects.

Cette opération est évidemment préjudiciable à la production car l'arrêt du réacteur peut durer plusieurs semaines, voire plusieurs mois selon les résultats de l'analyse.

Les produits caractéristiques de la probabilité d'une telle fuite sont dosés en permanence et des seuils sont fixés dans les documents d'exploitation, à partir desquels des actions sont entreprises, y compris l'arrêt de l'installation sous un délai dépendant de l'importance des indices constatés.

Ces événements ne concernent pas l'environnement de la centrale, tant qu'ils sont suivis et gérés conformément aux consignes définies par le cahier d'exploitation.

Ils concerne essentiellement la protection du personnel évoluant à l'intérieur de l'enceinte et susceptible de respirer un air contaminé.

Les seuils critiques de pollution (Limites dosimétriques) sont fixés par la DGT (Direction Générale du Travail) et l'ASN (Autorité de Sécurité Nucléaire) sur recommandations de l'ICRP ( International Commission of Radio Protection).

Ce problème de défaillance de la première barrière de sécurité existe depuis les débuts de l'exploitation de ce type de réacteurs, et d'important travaux de recherche sont menés en permanence pour en réduire la fréquence et renforcer cette première barrière de sécurité.

Ces travaux portent en particulier sur la mise au point de crayons de combustible EATF ( Enhance Accident Tolerant Fuel) par traitement externe et interne des parois des gaines de combustible, notamment par dépôt de chrome.

Le but étant de renforcer la résistance des gaines à l'oxydation à haute température des parois en Zircaloy; ceci afin d'améliorer le délai permettant la mise en œuvre du refroidissement de secours en cas d'APRP ( Accident par Perte de Réfrigérant Primaire).

Pour un petit historique du problème on pourra consulter :

http://www.wise-paris.org/francais/rapports/030206-NoteCattenomVLYM-cor.pdf

(Et surtout les rapports indexés notamment de l'ASN).