26 Février 2020  |  Nucléaire
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 12/2019

Vers une nouvelle génération de combustibles nucléaires

Les assemblages combustibles utilisés dans les réacteurs actuels, dont les gaines sont composées de zirconium à près de 78 %, ont fait leurs preuves en fonctionnement normal. Toutefois, en cas d’accident grave, elles peuvent s’oxyder et dégager de l’hydrogène. Aussi, les fabricants de combustible mènent-ils actuellement des travaux de recherche et des expérimentations sur de nouveaux matériaux et revêtements destines à accroître la sécurité de ces gaines.

« La sécurité n’est pas un état mais un processus », déclarait il y a quelques années Hans Wanner, directeur de l’Inspection fédérale de la sécurité nucléaire (IFSN), pour décrire le processus d’amélioration continu en vigueur dans le domaine de la technique nucléaire. L’Accident Tolerant Fuel, ou ATF, illustre parfaitement ce développement permanent. Plusieurs fabricants de combustible mènent actuellement des travaux de recherche et des expérimentations sur de nouveaux matériaux et revêtements destinés à rendre encore plus sûrs et plus efficaces ces composants déjà éprouvés et à offrir davantage de temps aux exploitants en cas d’accident.
 
Le combustible nucléaire : un matériau très complexe
Dans un document publié en 2016, intitulé Accident Tolerant Fuel Concepts for Lignt Water Reactors, l’Agence internationale de l’énergie atomique (AIEA) décrit le combustible nucléaire comme étant un matériau très complexe, qui n’a cessé d’être développé au cours des quarante dernières années et qui est aujourd’hui utilise de manière sûre et fiable dans les réacteurs en exploitation commerciale. Malgré plusieurs améliorations au niveau de la conception et du matériau, les pastilles d’oxyde d’uranium et les gaines en zircaloy restent les éléments les plus utilisés.
Les accidents graves survenus par le passé, tels que ceux de Three-Mile-Island et de Fukushima-Daiichi, ont montré que soumises à des conditions extrêmes, les gaines pouvaient perdre leur fonction de protection et que, à température élevée, le zirconium réagissait chimiquement avec la vapeur d’eau en formant de l’hydrogène. Ce comportement est connu depuis longtemps et cela fait de nombreuses années que les fabricants de combustible travaillent sur le développement de l’ATF. L’accident de réacteur survenu au Japon a donné un nouvel élan à ces travaux de recherche, comme l’ont constaté aussi bien l’AIEA que l’Agence pour l’énergie nucléaire (AEN) de l’OCDE, qui a publié en novembre 2018 son « State-of-the Art Report on Lignt Water Reactor Accident-Tolerant Fuel ».
Quelque trente-cinq organisations issues des quatorze pays suivants ont pris part à ce rapport : l’Allemagne, la Belgique, la Chine, la Corée du Sud, les États-Unis, la France, la Grande-Bretagne, le Japon, la Norvège, les Pays-Bas, la République tchèque, la Russie, la Suède et la Suisse (via l’Institut Paul-Scherrer).
 
Les qualités requises des assemblages de combustible
Il est primordial que les réacteurs de la deuxième génération actuellement connectés au réseau et les nouveaux réacteurs de la troisième génération puissent fonctionner avec du combustible résistant aux accidents. Les assemblages doivent présenter une résistance élevée contre les défaillances structurelles en conditions extrêmes, permettre de réduire la formation d’hydrogène et améliorer la rétention des produits de fission. Ils doivent être plus résistants au rayonnement, à la corrosion et aux températures élevées. Or le matériau de la gaine et le combustible sont déterminants pour atteindre ces objectifs.
 
L’apport de l’oxyde de chrome et du carbure de silicium
Dans son programme eATF (« e » pour « enhanced »), l’entreprise française Framatome fait la distinction entre un concept à court terme, évolutionnaire, et un concept à long terme, révolutionnaire. S’agissant du premier, Framatome étudie des crayons de combustible dotés d’un revêtement chromé. Selon cette entreprise, cette variante présente une résistance à l’oxydation bien meilleure à haute température. Des travaux de recherche avec des pastilles de combustible dopées à l’oxyde de chrome (Cr203) sont en cours. Ces pastilles doivent contribuer à réduire le dégagement des gaz de fission lors des transitoires.
Concernant le concept à long terme, révolutionnaire, Framatome prévoit d’utiliser des gaines multicouches en carbure de silicium, au sein desquelles un film métallique assurera l’étanchéité. D’après l’entreprise, cette conception présente de bonnes propriétés, notamment à températures élevées.
 
Des tests effectués à Gösgen et aux États-Unis
Par le passé, l’entreprise a réalisé des tests d’irradiation et elle continue à le faire en collaboration avec des exploitants nucléaires américains et européens. Ces tests ont notamment été mis en place dans la centrale nucléaire de Gösgen.
Framatome n’est toutefois pas la seule à se pencher sur le développement de l’ATF. C’est également le cas de Global Nuclear Fuel (GNF), une coentreprise dirigée par General Electric et composée d’Hitachi Ltd. et de Toshiba Corporation. GNF procède, elle aussi, à des tests sur un nouveau matériau de gaine dénommé ironClad, ainsi que sur des gaines possédant un revêtement en zircaloy, dénommées Armor. En février 2018, elle a annoncé avoir fourni à l’exploitant Southern Nuclear Operating Company, des assemblages combustibles d’essai en vue d’une utilisation dans un des deux réacteurs de la centrale nucléaire de Hatch, dans l’État américain de Géorgie.
Westinghouse Electric Company mène elle aussi des travaux de recherche et de développement sur les combustibles résistant aux accidents. Elle teste des revêtements et des matériaux de gaines et développe de nouvelles matrices qui présenteront notamment une meilleure conductivité thermique. Cette entreprise a indiqué avoir déjà effectué de nombreuses recherches sur ce sujet entre 2004 et 2010.
 
Des avancées dans plusieurs pays
Le Département américain de l’énergie (DOE) soutient depuis 2012, le développement de combustibles résistant aux accidents, par le biais du programme Ennanced Accident Tolerant Fuel. Les trois fabricants précités prennent part à ce programme. Le DOE a annoncé début 2019, leur avoir accordé, en plus des fonds déjà alloués, 111,2 millions de dollars supplémentaires pour la période allant jusqu’à fin janvier 2021. L’autorité a par ailleurs indiqué que 85,6 millions de dollars pourraient s’y ajouter pour les exercices 2020 et 2021. D’après le Nuclear Energy Institute (NEI), les premiers assemblages combustibles du type AIF devraient être chargés dans les réacteurs américains en service commercial aux alentours de 2023, les autres chargements devant être effectués à l’horizon 2026.
La Russie a, elle aussi, accéléré ses travaux de développement de l’ATF. Le fournisseur de combustible russe Tvel a annoncé en janvier 2019, que le pays avait chargé pour la première fois des assemblages combustibles ATF dans un de ses réacteurs de recherche. La première phase, qui comprend des tests dans le réacteur et des analyses ultérieures, sera achevée avant la fin de l’année. Tvel placera ensuite de nouveaux crayons combustibles dans des tranches nucléaires en service commercial, à des fins de test. (M.B./C.B. d’après le document State-of-the-Art Report on Light Water Reactor Accident-Tolerant Fuels publié par l’AEN en novembre 2018, ainsi que différentes sources provenant de Framatome, GNS, NEI, Tvel et Westinghouse).
 
Source : Bulletin Forum nucléaire suisse 2/2019
 


03 Janvier 2018  |  Nucléaire

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19 Décembre 2016  |  Nucléaire

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