Le programme CHIP

Le projet CHIP (Chimie de L’Iode dans le circuit Primaire), visait à étudier le transport de l’iode dans le circuit primaire pour évaluer les fractions sous forme de gaz et d’aérosols susceptibles d’arriver dans l’enceinte de confinement. Cette répartition gaz/aérosol impacte les évaluations des rejets à court terme en cas d’accident majeur.
Ce programme a démarré dans les années 2000 suite à l’observation d’une fraction d’iode gazeux dans les essais PHEBUS-PF non prédite par les codes de calcul, fraction variant fortement suivant les conditions des essais.
  
La première phase du programme CHIP piloté par l’IRSN a fait partie du programme international Terme Source cofinancé par le CEA, Edf, l’IRSN, la Commission Européenne, l’U.S. Nuclear Regulatory Commission, l’Atomic Energy Canada Limited, le Korea Institut of Nuclear Safety (représentant un consortium  de Corée du sud), l’institut Paul Scherrer et GDF-Suez-Tractebel ; elle s’est déroulée sur la période 2005-2012. Le programme CHIP s’est focalisé sur des systèmes chimiques impliquant l’iode et les autres produits de fission volatils (Cs, Mo) et a visé à déterminer les conditions  favorables à la persistance d’iode sous forme gazeuse à la brèche du circuit primaire.

La seconde phase, dite programme CHIP+, s’est déroulée de 2013 à 2018 en partenariat avec EDF, elle visait plus particulièrement à se focaliser sur le rôle des éléments des barres de commande (Argent-Indium-Cadmium et Bore)  
La durée longue de ce programme expérimental s’explique par les défis techniques qu’il a fallu résoudre pour identifier et développer les installations expérimentales répondant aux besoins et aussi pour être en mesure d’introduire des éléments de manière contrôlée.

Contenu et objectifs :
 

•  Identifier les éléments physico-chimiques susceptibles de réagir avec l’iode au cours de son transfert du cœur vers l’enceinte (temps de transfert court, refroidissement rapide en présence notamment de vapeur d’eau) mais aussi d’identifier les espèces chimiques influençant la présence d’iode volatile à basse température (~150°C)
• Obtenir des données cinétiques pour les principales réactions mises en jeu.

Pour remplir ces objectifs, le programme expérimental comprend un banc expérimental appelé banc CHIP​, qui a évolué au cours du temps et des bancs expérimentaux à l’échelle du laboratoire pour des études en support (banc GAEC, réacteur à flamme laminaire etc.). Ces études en support, au caractère plus fondamental, ont souvent été réalisées dans le cadre de travaux de thèse, notamment : 

En support au programme CHIP, une coopération étroite entre les laboratoires LETR de l’IRSN et PC2A de l’Université de Lille a permis de mener de nombreux travaux de modélisation à l’aide d’outils de chimie théorique pour, soit déterminer et revisiter des données thermodynamiques d’espèces gazeuses, soit développer des mécanismes cinétiques en étudiant la cinétique de réactions élémentaires. Dans ce cadre on peut citer les travaux de thèse de R. Vandeputte soutenue le 18 décembre 2013.

Figure : Banc expérimental CHIP à Cadarache

• Fatima Roki, thèse à l’université de Grenoble, soutenue le 29 janvier 2009.
• Marion Lacoue-Nègre, thèse à l’Université de Lille 1, soutenue le 06 décembre 2010.
• Yathis Délicat, thèse à l’Université de Lille 1, soutenue le 05 juin 2012.
• Melany Gouello, thèse à l’Université de Grenoble, soutenue le 06 novembre 2012.
• Principaux résultats

Après plus de 10 années de recherches conduites à travers les programmes CHIP et CHIP+, les principaux résultats obtenus  concernant le transport des produits de fission dans le circuit primaire en conditions d’accident grave peuvent être résumés ainsi :

• La réactivité de l’iode en phase gazeuse est cinétiquement contrôlée, notamment en milieu oxydant ; ce point a été mis en évidence à travers les essais portant sur le système iode-oxygène-hydrogène. Les données expérimentales peuvent être décrites par le mécanisme réactionnel développé par l’IRSN et présent dans le code d’accident grave ASTEC/SOPHAEROS.
   
• Comme attendu dans les scénarios d’accident grave, lorsque le  césium est en large excès par rapport à l’iode, il conduit à la formation rapide et complète d’iodure de césium (CsI), empêchant toute formation d’iode gazeux. Les essais impliquant le césium et l’iode n’ont pas mis en évidence d’effet cinétique.
• Le molybdène (Mo) et le bore (B) agissent comme des pièges à Cs, favorisant donc principalement la formation d’iode gazeux. C’est ce qui s’est produit lors d’un des essais PHEBUS PF (FPT3 dont la barre de contrôle était en carbure de bore B₄C, espèce présente dans les réacteurs 1300/1450 MWe). La formation en phase gazeuse de molybdates de césium par réactions avec le trioxyde de molybdène (MoO₃) diminue fortement la possibilité de formation de CsI et favorise donc le transport de l’iode sous forme gazeuse dans le circuit primaire. La chimie du molybdène est particulièrement sensible aux conditions réductrices avec la formation d’espèces Mo(IV) et Mo(V) moins réactives vis-à-vis du césium. La réactivité du système Mo-CsIOH est assez bien simulée par le code ASTEC/SOPHAEROS en faisant l’hypothèse que toutes les espèces gazeuses sont en équilibre chimique, excepté le système I-O-H contrôlé par la cinétique. Comparé au trioxyde de molybdène, les oxydes de bore sont moins réactifs mais leur réactivité est moins sensible aux conditions oxydo-réductrices du gaz composé d’un mélange H₂/H₂O en proportions variables.
   
• En prenant en compte l’addition d’un élément de la barre de contrôle en AIC (Argent-Indium-Cadmium, alliage utilisé dans les barres de contrôle de tous les réacteurs mais très présent dans les réacteurs 900 MWe, et testé dans les essais PHEBUS FPT0 FPT1 et FPT2) au système Mo-CsIOH, l’indium est l’élément le moins réactif et Mo joue toujours le rôle de piège à Cs en milieu oxydant (vapeur d’eau) avec formation d’iode gazeux. Du fait de la présence de Cd ou d’Ag, éléments relâchés dans le circuit primais en large quantité lors d’un accident grave, la formation d’iode gazeux est fortement réduite par la formation de CdI₂ ou d’AgI même si l’iodure d’argent n’est pas l’iodure métallique formé majoritairement. Sur la base des résultats expérimentaux, il est montré qu’en lien avec la formation de molybdates métalliques (avec Cd, Ag), qui viennent en compétition avec les molybdates de césium, et du rôle réducteur des métaux (Cd, Ag) le rôle du molybdène est plus faible vis-à-vis du Cs. 
   
• L’ajout d’argent et de cadmium au système Mo-CsIOH conduit à un transport d’iode à basse température presque exclusivement sur forme d’aérosols, un mélange d’iodure métallique de CsI et CdI₂ avec moins de 10% sous forme AgI. L’ajout de bore à ces systèmes n’a pas d’impact sur la quantité d’iode gazeux transporté qui reste faible.