En cas de perte accidentelle et prolongée du refroidissement, les crayons de combustible constituant le cœur d’un réacteur nucléaire à eau sous pression (REP) vont être endommagés, et une grande partie d’entre eux va s’effondrer et former ce qu’on appelle un "lit de débris". Il s’agit là en fait d’un amas de fragments issus des gaines en zircalloy et des pastilles d’UO₂ (voire, en cas de combustible MOX, de pastilles d’UO₂ et de PuO₂) qu’elles contiennent. S’il n’est pas rapidement refroidi cet amas va entrer en fusion et être de plus en plus en plus difficile à refroidir, ce problème a été mis en évidence dans le cadre de l’analyse de l’accident de Three Mile Island survenu aux Etats-Unis en 1979. 

Schéma simplifié d'un coeur de REP fortement dégradé. © IRSN

Lors du renoyage d’un cœur dégradé, l’eau injectée s’écoule au travers d’un amas de particules (ou lit de débris) à très haute température dont la géométrie et la porosité sont localement variables. Ce lit de débris peut être difficile à refroidir car l’eau peut contourner les zones les moins poreuses du lit (qui sont aussi les zones les plus chaudes) au profit des zones plus poreuses. Pour prédire la progression de l’eau au sein du lit de débris et la production de vapeur qui en résulte, il s’est avéré nécessaire de mettre au point des modèles détaillés de thermo-hydraulique, décrivant le cœur endommagé comme un milieu poreux de géométrie et de caractéristiques variables. Ces modèles ont été mis au point à l’aide du logiciel Icare-Cathare qui simule la dégradation d’un cœur de réacteur. Après validation sur les données expérimentales acquises sur les installations Prelude et Pearl, ces modèles seront simplifiés puis introduits dans le logiciel Astec qui simule l’ensemble des phénomènes qui peuvent se produire dans un réacteur nucléaire lors d’un accident grave.

Le programme Progres consiste à renoyer des amas de particules métalliques, portées à haute température (1000 °C), et dont la taille et la distribution spatiales sont représentatives de celles attendues dans un réacteur à eau sous pression. Les particules utilisées, de 1 à 8 mm de diamètre, sont en acier. Elles sont placées dans un cylindre de quartz entouré d’un solénoïde qui les chauffe par induction pour simuler la puissance résiduelle des débris du cœur. Dès que la température de consigne est atteinte, le "renoyage" est déclenchée par l’injection d’eau à la base du cylindre. L’instrumentation placée dans le lit de débris permet de caractériser la progression de l’eau dans le milieu poreux, la production de vapeur et la montée en pression qui en résulte, en fonction de paramètres tels que le débit d’injection d’eau, la taille des particules, la puissance déposée dans le lit et la pression.

Le programme comporte deux étapes :

• La première étape s’est déroulée sur le dispositif Prelude, qui est une maquette à échelle réduite de l'installation Pearl. Les sections d’essais ont un diamètre variant de 110 à 290 mm et contiennent environ 5 à 60 kg de particules. Ce dispositif a permis de valider les options technologiques de l’installation Pearl, notamment d’effectuer des études de faisabilité du chauffage par induction et des tests de qualification de l’instrumentation. Les premiers essais du programme expérimental, qui se sont déroulés de 2010 à 2012 sur ce dispositif, ont permis d'améliorer et de valider les outils de simulation.
 

Vidéo d'une campagne d'essai Prelude réalisée en 2009 sur le renoyage d'un lit de billes.

 

Débit d'eau : 40 g/sec
Diamètre du tube : 180 mm
Diamètre des billes : 4 mm

 

• La seconde étape se déroule à partir de la fin de l'année 2014, dans le dispositif d’essai Pearl, constitué d’un cylindre de 540 mm de diamètre en quartz et contenant environ 500 kg de particules en acier.  
 

Les campagnes expérimentales menées de 2010 à 2012 sur le dispositif Prelude ont permis de démontrer la faisabilité du renoyage d’un lit de billes porté à 900 °C, tout en maintenant un dépôt de puissance de 200 W/kg dans le lit pendant l’injection d’eau. Les thermocouples implantés au sein du lit à différents niveaux (voir figure) permettent de suivre la progression du front de trempe, c'est-à-dire la frontière séparant la zone où les billes ont été refroidies (en bas) de la zone où les billes sont encore chaudes et où se produit une ébullition intense. On a également pu mesurer la pression au sein du lit de billes et le débit de vapeur produite.

Température dans le lit de débris pendant le renoyage. © IRSN

Au-delà des essais de qualification des techniques à mettre en oeuvre dans Pearl, plusieurs campagnes, représentant plus d’une centaine d’essais, ont été réalisées dans Prelude, dans le but d’apporter des résultats utiles à la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu au cours du renoyage et d’améliorer les corrélations utilisées aujourd’hui dans les logiciels de simulation Icare/Cathare et Astec.

On a ainsi pu estimer le flux de chaleur maximal extrait des billes par l’eau en fonction de leur température. On a aussi déterminé la vitesse de progression du front de trempe en fonction de la vitesse d’injection, de la température initiale et de la taille des billes. La mesure du débit de vapeur produit a permis d’évaluer l’efficacité du refroidissement, pour différentes conditions de renoyage. Enfin, on a pu constater que, sous certaines conditions, une partie des billes peut être soulevée par la vapeur qui traverse à très grande vitesse la partie haute du lit. Ce phénomène, dit de "fluidisation", est favorable à un refroidissement efficace.

Les campagnes d’essais de 2012 ont mis en jeu un lit de billes entouré d'une zone de plus grande porosité où l’eau peut s’écouler plus facilement. Cette situation est davantage représentative de la situation "réacteur" parce qu’un cœur endommagé présente des hétérogénéités importantes et la progression de l’eau se fait d’abord par les voies offrant le moins de résistance. On peut ainsi évaluer l’impact de ce by-pass sur le refroidissement du lit de billes qu’il entoure.

 

Installation Pearl © IRSN

• Campagne 1 (2014-2015) : Renoyage du lit de débris homogène (particules de même taille) - paramètres d’étude : débit, pression et température
• Campagne 2 (2016) : Effet des caractéristiques géométriques du lit de débris - paramètres d’étude : distribution du diamètre des particules et taille du by-pass
• Campagne 3 (2017) : Étude d’une zone compacte dans un lit de débris 
• Campagne 4 (2018) : Étude de l’effet de l’oxydation de matériaux métalliques et production d’hydrogène