Le programme CABRI CIP

Lancé en 2000, le programme international Cabri (CIP) vise à étudier le comportement des crayons de combustible nucléaire, notamment leur gainage, lors d’un accident d’injection de réactivité (RIA) dans les réacteurs à eau sous pression (REP).

Contexte

Le programme et ses partenaires

Le programme international Cabri (CIP) a été lancé en 2000 pour étudier le comportement des crayons de combustible nucléaire, notamment leur gainage, lors d’un accident d’injection de réactivité (RIA) dans les réacteurs à eau sous pression (REP).
Il s'inscrit dans un ensemble de programmes menés par l'IRSN sur le comportement du combustible nucléaire.

réacteur CABRI. (c) Romain Baltz / Médiathèque IRSN

Placé sous l’égide de l’Agence pour l'énergie nucléaire de l'OCDE (AEN), ce programme piloté et cofinancé par l’IRSN associe des partenaires nationaux (EDF et le CEA) et étrangers de douze pays différents (Allemagne, Corée, Espagne, Etats-Unis, Finlande, France, Japon, Royaume-Uni, Slovaquie, République Tchèque, Suède et Suisse) représentant des autorités de sûreté, des exploitants nucléaires et des laboratoires de recherche.
Photo : Vue extérieure du réacteur CABRI. (c) Romain Baltz / Médiathèque IRSN

Les objectifs

Un accident d’injection de réactivité (RIA) se traduit par une augmentation rapide, soudaine et locale du flux de neutrons, ce qui induit une augmentation de la puissance nucléaire due à la fission et provoque une augmentation rapide de la température du combustible.

Deux modes de rupture de la gaine peuvent intervenir lors d’un RIA :

la rupture par interaction mécanique entre la pastille et la gaine (phase PCMI - Pellet Clad Mechanical Interaction), lorsque la gaine est encore froide et que le combustible se dilate fortement exerçant une forte contrainte mécanique sur la gaine ;
la rupture par déformation excessive lors de la crise d’ébullition (phase post-DNB - Departure from Nucleate Boiling), lorsque la gaine a résisté à la phase PCMI et qu’apparait une forte déformation de la gaine (ballonnement), résultant de la dégradation du coefficient d’échange thermique gaine-fluide de refroidissement et d’une élévation rapide de la température de la gaine.

expérimentatrices au Laboratoire d'expérimentation (c) Jean-Marie Huron / Médiathèque IRSN

Comme le premier mode de rupture ne dépend pas des conditions dans le réfrigérant, il a pu être étudié dans des conditions thermo-hydrauliques non-représentatives d’un REP. Le second mode de rupture est quant à lui fortement dépendant des conditions thermo-hydrauliques et ne peut être étudié expérimentalement que dans des conditions représentatives d’un REP. Cela constitue l’enjeu majeur du programme CIP.

Photo : Léna Lebreton et Nathalie Monchalin, expérimentatrices au Laboratoire d'expérimentation en pile (L2EP), au poste de commande du poste IRIS situé dans le hall du réacteur CABRI. (c) Jean-Marie Huron / Médiathèque IRSN

Iris (installation de radiographie d'imagerie et de spectrométrie (c) Jean-Marie Huron / Médiathèque IRSN

Plus précisément, les objectifs du programme CIP sont multiples :

Comprendre le comportement du crayon combustible en situation de RIA, en particulier en cas d’asséchement de la gaine ou de rupture de cette gaine lors du transitoire ; Apporter des éléments quantitatifs pour le développement et la validation des outils de simulation (en particulier pour le logiciel SCANAIR développé par l’IRSN) ;Etudier le comportement en RIA de nouveaux types de gainage et de combustible apportant des améliorations pour d’autres situations.

Ce programme pourrait aussi apporter des éléments de confirmation relatifs à certains nouveaux critères de sûreté définis par EDF, relatifs à la phase court terme de l’accident d’éjection de grappe, qui ont fait l’objet d’une instruction par l’IRSN dont les résultats ont été présentés au Groupe Permanent pour la sûreté des réacteurs nucléaires en juin 2017.

Photo : Nathalie Monchalin devant le poste de commande à distance de l’équipement de mesures non-destructives IRIS (installation de radiographie d’imagerie et de spectrométrie), notamment pour piloter le poste d’imagerie de rayons X du crayon de combustible. (c) Jean-Marie Huron / Médiathèque IRSN

Les essais

Le programme CIP comprend au total douze essais. Les deux premiers essais d’injection de réactivité sur des crayons irradiés ont été réalisés en 2002 dans le réacteur CABRI équipé d’une "boucle sodium", c’est-à-dire dont le réfrigérant est du sodium liquide. Cette boucle représente le circuit primaire dans lequel circule le réfrigérant du réacteur. Les deux essais ont permis d’étudier les phénomènes qui ne dépendent pas de la nature de ce réfrigérant (phase PCMI).

Cabri : tableau des essais prévus pour le programme CIP

Mais pour étudier les conditions représentatives d’un accident dans un REP (phase post-DNB et interaction combustible-réfrigérant en cas de rupture de la gaine), la "boucle sodium" a dû être remplacée par une boucle à eau sous pression. La rénovation du circuit de refroidissement du cœur du réacteur CABRI, ainsi que des travaux de mise à niveau vis-à-vis de la réglementation, ont été réalisés.

Les dix essais suivants du programme expérimental consistent à exposer des tronçons de combustible irradié aux conditions régnant lors d’un accident d’injection de réactivité. La matrice d’essais ci-dessous présente les caractéristiques des combustibles qui seront testés et les objectifs principaux de chacun de ces essais. La matrice d’essais présente les caractéristiques des combustibles qui seront testés et les objectifs principaux de chacun de ces essais.

Le premier essai, dénommé CIP-Q, s'est déroulé avec succès le 16 avril 2018. Voir le communiqué de presse sur le site de l'IRSN et sur celui du CEA.

Graphique : Tableau des essais prévus pour le programme CIP.