Des systèmes passifs pour renforcer la sûreté des réacteurs nucléaires

La sûreté des réacteurs nucléaires constitue l'un des piliers de la recherche nucléaire menée à l'Institut Paul-Scherrer (PSI) à Villigen. Cette recherche est prioritaire car elle permet, en travaillant sur les derniers développements techniques, de rester au fait en matière de sûreté nucléaire. L'expertise ainsi recueillie est utile aux exploitants de centrale ainsi qu'au personnel chargé de la sécurité. Elle peut également être mise en œuvre à l'intérieur des centrales helvétiques. De plus, outre une augmentation des connaissances technico-scientifiqes, la recherche sur la sûreté nucléaire représente également un champ très attractif pour la formation de spécialistes du domaine public ou privé.

Dans le cadre de cette recherche, des scientifiques du PSI étudient notamment l'évacuation de la chaleur résiduelle dans un réacteur nucléaire. Particulière à ce type de réacteur, la chaleur résiduelle est issue de la désintégration spontanée des produits de fission radioactifs formés durant l'activité de la centrale. Cette chaleur est dite résiduelle car elle continue à être produite même après l'arrêt du réacteur. Des systèmes de refroidissement sophistiqués sont nécessaires pour permettre d'évacuer cette chaleur en cas d'urgence ou après la mise hors service de l'installation.

Evacuation passive de la chaleur résiduelle

Tout comme la maîtrise de la réaction de fission, l'évacuation sûre et complète de la chaleur résiduelle dans les conditions données constitue l'un des éléments clés en matière de sûreté nucléaire. Pour permettre cette évacuation, les centrales actuellement en service recourent généralement à des systèmes dits actifs reposant sur des dispositifs fonctionnant grâce à une source d'énergie externe, nécessitant une gestion active et occupant des espaces séparés. Au contraire, les nouveaux concepts de réacteurs développés aujourd'hui se basent essentiellement sur des systèmes de sûreté dits passifs.

Pour être opérationnels, les systèmes de sûreté passifs ne font pas appel à une source d'énergie externe. Leur fonctionnement se fonde sur une combinaison d'effets dus aux lois de la nature, aux propriétés des matériaux utilisés, aux structures techniques ainsi qu'aux processus énergétiques internes. Le recours à de tels dispositifs dans les nouveaux concepts de réacteurs permet une augmentation du niveau de sûreté tout en conduisant à une simplification globale, ce qui a également pour conséquence une réduction des coûts.

Installation d'essai PANDA

Pour effectuer des recherches dans ce domaine de la thermodynamique, le PSI dispose d'une installation d'essai de grande taille nommée PANDA. Conçue et construite au début des années 1990, cette installation a accueilli ses premières expériences en 1995. A l'origine, elle a été conçue pour étudier le processus dynamique global de l'évacuation de la chaleur résiduelle hors du réacteur ainsi que pour évaluer la sûreté de l'enceinte de confinement pour un concept passif avancé de réacteur à eau bouillante. L'installation PANDA a été construite à relativement grande échelle afin de permettre une simulation aussi réaliste que possible des procédés thermo-hydrauliques ayant lieu dans un véritable réacteur, en particulier pour tenir compte des effets pluridimensionnels. Certains paramètres comme la puissance, les volumes et les débits ont été reproduits à une échelle entre 1:25 et 1:40 pendant que d'autres, importants pour les systèmes passifs, comme la hauteur de l'installation, les pressions et les différences de pressions ont été reproduits à l'échelle 1:1, c'est-à-dire à la dimension d'un prototype. Si l'on ajoute à cela l'utilisation de matériaux prototypiques, la transposition des résultats obtenus sur l'installation d'essai vers l'installation réelle s'en trouve facilitée.

Grâce à la construction modulaire de l'installation PANDA, d'autres systèmes passifs avancés de réacteurs (Génération III+) peuvent également y être étudiés. Moyennant quelques modifications mineures, des analyses similaires sont possibles pour les concepts de réacteurs les plus récents (Génération IV, réalisation commerciale d'ici 20 à 30 ans). Le bloc formé de six grandes cuves pour un volume total de 460m³, sur une hauteur de plus de 20 mètres, avec les lignes de connexion et les systèmes d'aide correspondants, permet encore d'autres analyses. C'est ainsi qu'actuellement, des recherches fondamentales sur la thermohydraulique dans l'enceinte de confinement des réacteurs nucléaires sont menées dans le cadre d'un projet de l'OCDE. Les résultats contribuent également à une analyse plus fiable et plus détaillée des réacteurs actuels.

Résultats et simulation

Les essais menés sur PANDA aboutissent à des résultats que l'on peut grosso modo classer dans deux catégories différentes. D'une part, les études thermohydrauliques conduites à grande échelle permettent de tester la fiabilité de nouveaux concepts passifs de réacteurs nucléaires. D'autre part, ces travaux permettent de recueillir un grand nombre de données expérimentales utilisées pour valider des logiciels de simulation et de calcul servant à l'analyse de la sûreté d'un réacteur.

En effet, même si l'installation d'essai PANDA est unique au monde en son genre de par la combinaison de sa grandeur et de sa configuration, elle n'est pas capable de reproduire à l'échelle 1:1 tous les comportements se déroulant dans un réacteur en fonctionnement. Des simulations informatiques complémentaires sont donc nécessaires pour des analyses exhaustives de la sûreté des installations nucléaires. Les logiciels utilisés à cet effet doivent être validés en conséquence, de façon à garantir des prévisions fiables de tous les processus et phénomènes ayant lieu dans les véritables installations.

Collaborations encouragées

Le PSI encourage les collaborations internationales dans le cadre de toutes ses activités de recherche. Cela permet d'établir des contacts avec les spécialistes mondiaux dans le domaine et garantit de remarquables échanges d'information. En conséquence, les résultats découlant des analyses effectuées sur PANDA ne sont pas utilisés que par les chercheurs du PSI, mais également par des chercheurs de l'Ecole polytechnique fédérale de Zurich ainsi que par de nombreux autres spécialistes étrangers de divers centres de recherche, universités, ou encore par des exploitants de centrale. L'installation PANDA a en outre été mise à contribution de façon significative dans le cadre de divers projets de recherche des 4^e et 5^e programmes-cadres de l'Union européenne. Elle est également au centre de projets internationaux des Etats membres de l'OCDE. Enfin, des entreprises privées comme General Electric (USA) ou Areva NP (Allemagne) ont également déjà pris part à des projets de recherche menés sur PANDA.

Les systèmes de sûreté passifs sont des dispositifs qui interviennent sans actuation humaine et sans apport d?énergie lors d'une déviation des valeurs d'opération normales. Ils sont déclenchés et opèrent à partir de grandeurs physiques comme la différence de température, la hauteur hydrostatique etc. La performance de tels systèmes dans des réacteurs de Génération III est testée par exemple dans l'installation PANDA du PSI.

(Extrait du Bulletin «energeia» de l'Office fédéral de l'Energie, numéro 5, octobre 2006. Reproduction avec l'autorisation de l'OFEN)