Le projet PERFROI

Le projet expérimental PERFROI (Étude de la perte de refroidissement) a été lancé en janvier 2014 pour une durée de six ans. Une extension du projet jusqu'à 2021 a été accepté par l'ANR avec un complément de financement. Il vise à compléter les connaissances sur le refroidissement d'un cœur de réacteur nucléaire lors d'un accident de perte du réfrigérant primaire (APRP). C'est l'un des sept projets retenus par l'ANR dans le cadre de l'appel à projet « Recherche en matière de sûreté et radioprotection » (RSNR) de 2012 et pilotés par l'Institut.

Ce projet de recherche multidisciplinaire inclut des aspects thermomécanique et thermohydraulique ; ses résultats seront utilisés pour la validation du logiciel DRACCAR développé par l'IRSN pour simuler le comportement du combustible nucléaire lors d'un accident de perte de refroidissement.

Caractéristiques du projet

Dates de réalisation : 2014-2021
Partenaires : IRSN, EDF, LaMCos (Laboratoire de mécanique des contacts et des structures) de l'Insa de Lyon, Lemta (Laboratoire d'énergétique et de mécanique théorique et appliquée) de l'Université de Lorraine
Dernière mise à jour en août 2019

Contexte

En cas de fuite sur le circuit de refroidissement d'un réacteur à eau sous pression, les crayons de combustible dont est constitué le cœur peuvent, à défaut d'être suffisamment refroidis, subir une forte élévation de température et des déformations importantes. Le gainage métallique de ces crayons peut en effet gonfler sous l'effet de leur pression interne et éclater.

Cela aura pour effet de relâcher dans le circuit de refroidissement des produits radioactifs [1] mais aussi d'entraver la circulation de l'eau dans le cœur (phénomène de bouchage) et compromettre les possibilités d'un refroidissement ultérieur du cœur par l'eau des systèmes d'injection de sécurité (phénomène de « renoyage »). D'autre part, la vapeur d'eau va oxyder les gainages et ainsi les fragiliser avec le risque induit de voir les crayons de combustibles perdre leur tenue mécanique, s'écrouler et constituer un amas qui ne serait plus re-froidissable.

irsn - projet perfroi - experimentation Elfe

L'IRSN a réalisé une synthèse des études et des recherches menées ces trente dernières années sur les phénomènes pouvant être mis en jeu dans le cœur d'un réacteur pendant et après un accident de perte de réfrigérant primaire (APRP). Elle a porté sur l'oxydation des gainages, l'hydruration induite, le gonflement et l'éclatement de ces gainages ainsi que les conséquences potentielles de l'ensemble de ces phénomènes.

Cette synthèse a permis d'identifier trois questions importantes pour lesquelles les réponses apportées ont été jugées encore insuffisantes :

Quel est le taux de bouchage maximal acceptable au-delà duquel on ne peut plus garantir la refroidissabilité du cœur d'un réacteur ?
Est-ce qu'au sein d'une gaine ayant subi un gonflement local (gonflement appelé « ballon ») les pastilles de combustibles peuvent, du fait de leur fragmentation, se relocaliser des zones hautes vers le « ballon », voire même quitter la gaine et se disperser dans le circuit de refroidissement ? Et si oui, quelles en sont les conséquences ?
Est-ce que la dégradation des propriétés thermomécaniques des gainages résultant de leur oxydation et de leur hydruration (résultats de réactions chimiques des gaines avec l'eau ou sa vapeur) développées en fonctionnement normal et au cours de l'accident ne remet pas en cause la tenue mécanique des crayons de combustible et le maintien d'une géométrie refroidissable sur le long terme ?

C'est afin d'apporter des réponses à ces questions et plus particulièrement aux deux premières que le projet PERFROI a été lancé.

[1] Le gainage des crayons de combustible constitue la première des 3 barrières interposées entre les produits radioactifs et l'environnement (les deux autres étant l'enveloppe du circuit primaire et l'enceinte de confinement)

Déroulement du projet

Le projet PERFROI s'articule autour de deux axes expérimentaux :

l'étude de la déformation thermomécanique et la rupture des crayons de combustibles en condition d'APRP : les expérimentations (essais ELFE et COCAGNE) sont menées sur la plateforme MAESTRO de l'IRSN, elles permettent de caractériser les propriétés thermomécaniques des gainages et de mettre au points les modèles nécessaires à la simulation numérique de la déformation et de l'éclatement des gainages. Ces modèles seront intégrés dans le logiciel DRACCAR afin notamment d'évaluer les taux de bouchage pouvant survenir lors d'un APRP. Ces modèles prendront notamment en compte le comportement physico-chimique de l'hydrogène dans les gaines et son impact sur le comportement mécanique du crayon. Les essais ELFE ont été réalisés entre 2014 et 2017 et ont fait l'objet d'une publication pour le matériau de gainage Zy-4. L'installation COCAGNE a été réceptionnée en décembre 2016 et les essais sur celle-ci sont en cours de réalisation avec un premier effectué en décembre 2017
l'étude du « renoyage » d'un cœur partiellement bouché : les expérimentations (essais COAL) seront menées avec un dispositif d'essai contenant un assemblage 7x7 (46 crayons et trois tubes guides), et implanté dans une boucle de thermohydraulique mise à disposition par STERN Lab au Canada (2020-2021) ; elles permettront d'affiner et de valider les modèles de thermohydraulique du logiciel DRACCAR.

Les résultats du projet PERFROI

Les résultats de ce programme expérimental, cofinancé par EDF, l'US-NRC et plus récemment KAERI (volet COCAGNE) seront notamment utilisés par l'IRSN pour évaluer la pertinence des hypothèses prises par les exploitants pour justifier la re-froidissabilité d'un cœur de réacteur lors d'un accident de perte de réfrigérant primaire (APRP).