Etude du comportement du produit de fission Ruthénium dans l’enceinte de confinement d'un réacteur nucléaire, en cas d’accident grave

Christian MUN, thèse de doctorat de l'Université de Paris XI, spécialité Chimie, Radiochimie, 216p, soutenue le 08 Mars 2007 

Ce travail de thèse s’inscrit dans la catégorie particulière des accidents graves avec entrée d’air dans la cuve du réacteur nucléaire. Un tel scénario accidentel conduirait à un relâchement significatif de ruthénium depuis le combustible en raison de la formation d’oxydes, plus volatils que la forme métallique, avec une fraction susceptible d’arriver dans l’enceinte de confinement. Etant donné le caractère extrêmement volatil et radiotoxique de l’espèce RuO4, l’objectif de cette thèse consistait à estimer la fraction de RuO4(g) pouvant potentiellement être relâchée dans l’environnement depuis l’enceinte, et donc pour cela acquérir au préalable les connaissances sur le comportement des oxydes RuO2(c) et RuO4(g). Une loi de vitesse de décomposition du tétroxyde gazeux a pu être déterminée. Son temps de demi-vie a été estimé à 5 heures à 90°C et en présence de vapeur d’eau. L’humidité joue un rôle catalytique, tout comme la présence de dépôts de ruthénium (RuO2 ou assimilés). Les deux substrats, acier inoxydable et peinture époxy, n’ont pas montré d’affinité chimique avec RuO4. Cette absence de réactivité a d’ailleurs été confirmée par l’étude de caractérisation de surface menée par XPS, qui a décelé la même espèce présente à la surface des dépôts quelle que soit la nature du substrat (verre, peinture et acier). Il s’agit de RuO(OH)2, correspondant à un oxyhydroxyde de Ru(IV). Il a alors été conclu que la destruction de RuO4(g) correspond à une décomposition directe en phase gazeuse, suivie d’une condensation sur les surfaces présentes, et non pas à un processus d’adsorption. Le phénomène de revolatilisation de ruthénium par radiolyse à partir de dépôts de Ru a également été mis en évidence au cours de ces travaux. Ce phénomène, soupçonné théoriquement, résulte de l’action oxydante des produits de radiolyse de l’air sur les sites actifs des dépôts de Ru, produisant alors l’espèce RuO4(g). Une loi de vitesse d’oxydation a été établie. Lors de ce processus, la température et le taux d’humidité représentent à nouveau deux facteurs clé. Ces deux paramètres favorisent nettement la réaction d’oxydation. Le rôle du radical hydroxyle (OH.) est envisagé pour expliquer l’effet majorant induit par la vapeur d’eau. Par ailleurs, il a été démontré expérimentalement que le puisard constitue une source importante de ruthénium volatil sous rayonnement gamma. Finalement, l’établissement des lois comportementales du Ru a permis de réaliser une application au cas réacteur en proposant une modélisation préliminaire du terme source ruthénium. Les résultats des calculs réacteur indiquent que les valeurs des termes sources en 106Ru, peuvent être proches de la valeur enveloppe de référence actuellement prise en considération par l’IRSN, pour les REP 900 MWe (3.10-4). Cette première modélisation démontre l’importance de poursuivre les efforts de recherche sur la problématique « ruthénium enceinte », avec en priorité l’étude du comportement de cet élément en phase aqueuse, sous radiolyse gamma.