Le réacteur de recherche CABRI
L'installation CABRI est un réacteur de recherche de type piscine (installation nucléaire de base (INB) n° 24) exploité par le CEA et implanté sur le centre de Cadarache dans le Bouches-du-Rhône. Ce réacteur permet de reproduire expérimentalement des situations accidentelles prises en compte dans l’analyse de sûreté des réacteurs à eau sous pression (REP).
L'installation Cabri
Dans sa configuration actuelle¹, le réacteur de recherche CABRI permet de simuler une augmentation importante et très rapide de puissance –aussi appelé transitoire de puissance- représentative des accidents de réactivité (RIA : Reactivity Initiated Accident) qui doivent être considérés dans l’analyse de sûreté des REP.
(1) CABRI pourrait être adapté dans le futur à l’étude du comportement d’un crayon combustible lors d’un accident de perte de réfrigérant primaire (APRP)
Il permet plus précisément d’étudier le comportement de crayons combustibles et leur rupture éventuelle au cours de ces accidents. L’IRSN spécifie avec ses partenaires les essais qui reproduisent au mieux des conditions de tels accidents pour tester des combustibles choisis. Il finance les programmes expérimentaux et l’exploitation du réacteur CABRI dans lequel les essais sont réalisés par une équipe mixte IRSN/CEA d’expérimentateurs. L’IRSN mène de plus les examens pré et post-essais sur le crayon d’essai.
Une profonde transformation de l'installation, financée par l’IRSN et conduite par le CEA, s’est déroulée sur 12 ans (de 2003 à 2015), ce qui a permis une mise à niveau de la sûreté (notamment vis-à-vis du risque sismique et du risque incendie) et de nombreuses améliorations des fonctionnalités : rénovation du circuit de refroidissement du cœur du réacteur et des circuits d'effluents, rénovation du bloc cœur et des vannes rapides des barres transitoires, remplacement de la ventilation nucléaire et du contrôle/commande de l’installation et des équipements, etc.
En parallèle, plusieurs équipements expérimentaux ont été remplacés (hotte de manutention des dispositifs d’essai et coque de transport) ou rénovés (poste d’examens non destructifs IRIS, renforcement sismique du système de mesure de déplacement du combustible en ligne, l’hodoscope).
La plus importante modification, côté expérimentation, est le remplacement de la boucle d'essai en sodium par une boucle à eau pressurisée (BEP) qui permet de reproduire les conditions thermohydrauliques d’un réacteur à eau sous pression (280°C, 155 bar, vitesse de l’eau autour du crayon d’essai de 4 m/s), type de réacteurs qui équipent le parc nucléaire français.
Photo : Introduction du caisson eau sous pression (EP) dans le hall du réacteur (c) Michel Thurin / Médiathèque IRSN
Le coeur du réacteur CABRI
D’une puissance maximale de 25 MW en régime établi, le cœur nourricier (figure ci-dessous), constitué de 1487 crayons UO2 gainés inox (enrichis à 6 %), est très compact (65 cm de côté, 80 cm de hauteur). En régime statique, il est piloté par 6 barres de commande et de sécurité (BCS) en hafnium (6 groupes de 23 crayons en hafnium naturel).
Il est traversé en son centre par la cellule expérimentale de la boucle à eau pressurisée (cellule EP) dans laquelle est implanté le dispositif qui contient le crayon d’essai soumis au transitoire de puissance. Le cœur nourricier est également traversé horizontalement par un canal d’irradiation qui permet à un appareil, appelé hodoscope, de mesurer en temps réel les mouvements du combustible durant le transitoire de puissance. Ces mesures en direct sont complétées après l’essai par des examens non-destructifs sur le crayon d’essai réalisés dans le poste IRIS (gamma-scanning et imagerie X).
Coeur de CABRI :
1 - Cellule expérimentale EP
2 - Canal d'irradiation
3 - Barre de commande et de sécurité (BCS)
4 - Barre transitoire
5 - Assemblage de combustible
Le système d'injection de réactivité
L’une des particularités du réacteur est son système d’injection de réactivité qui permet de réaliser le transitoire de puissance. L'accident de type RIA envisagé pour un REP dans le cadre des évaluations de sûreté est l'éjection d'une barre de commande, suite à la rupture du carter d'un mécanisme de commande, en raison de la différence de pression entre l’intérieur de la cuve à 155 bars et l’extérieur à la pression ambiante du bâtiment réacteur.
L’augmentation très rapide de réactivité qui en résulte est recréée au sein du réacteur CABRI grâce aux quatre « barres transitoires » implantées dans le cœur. Chaque barre transitoire est constituée de 24 tubes qui entourent un assemblage de combustible réduit de 5×5 crayons d’UO2.
Graphique : une tête collectrice joint ces 24 tubes à une ligne (Figure 3), plus ou moins longue suivant la position de la barre dans le cœur. Les quatre lignes se rejoignent au niveau d’un collecteur unique. De ce collecteur partent deux voies de décharge de gaz, chacune équipée d'une vanne rapide TOR (tout ou rien) et d'une vanne de réglage permettant d'ajuster le débit de décharge. La ligne de décharge aval aboutit dans un réservoir tiré au vide avant la dépressurisation.
Avant l’essai, les barres transitoires sont remplies d’hélium-3, un gaz qui absorbe les neutrons, à une pression d’environ 10 bars. Le transitoire de puissance est généré, lorsque le réacteur se trouve à un palier de puissance quasi-nulle (100 kW, typique de l’arrêt à chaud d’un REP), en ouvrant de façon contrôlée les vannes rapides permettant l’échappement de l’helium-3 sous pression ; ceci conduit à une augmentation brutale de la réactivité (les neutrons n’étant plus absorbés) et donc à un pic de puissance (le « pulse »).
Celui-ci est immédiatement limité par les contre-réactions neutroniques, principalement l’effet Doppler, puis terminé par la chute commandée des BCS afin d’ajuster l’énergie délivrée au crayon d’essai. Pendant le transitoire de puissance, les sécurités neutroniques du réacteur sont inhibées pendant 1 s. Les pulses durent de quelques ms à quelques dizaines de ms (caractérisés par une largeur à mi-hauteur de 8 à 80 ms), une puissance instantanée totale pouvant dépasser 21 GW, et une énergie déposée dans le cœur allant jusqu’à 237 MJ. La maîtrise de la chronologie de dépressurisation des barres transitoires est assurée par l’ensemble numérique et analogique de commande des barres transitoires (ENACBT), piloté par le directeur d’essai.
La boucle à eau pressurisée
La boucle à eau pressurisée (BEP) est la boucle d'essai traversant le centre du cœur de CABRI. La BEP a remplacé l'ancienne boucle expérimentale au sodium. Elle a pour fonction d'accueillir le dispositif d'essai et d'établir, au niveau du crayon d'essai, des conditions thermohydrauliques représentatives d'un REP : 280°C, 155 MPa, la vitesse de l'eau au droit du crayon testé ~4 m.s-1.
La BEP constitue ainsi une première barrière de sûreté de l’installation, vis-à-vis du crayon testé. La partie de la BEP située au centre du réacteur est appelée enceinte EP. Elle est reliée au caisson EP qui abrite l'ensemble des composants produisant les conditions thermohydrauliques REP (pressuriseur, pompe de circulation, échangeurs) et les circuits annexes de la BEP (réservoir de décharge, circuits de gestion des effluents liquides et gazeux générés par les essais…).
L’eau de la BEP pouvant être contaminée au cours d'un essai, elle est placée dans une double enveloppe qui constitue la deuxième barrière de confinement. La boucle dispose d’un filtre chargé de piéger les fragments combustibles fins potentiellement relâchés (protection de la pompe et limitation du terme source des effluents). La partie en cœur de la double enveloppe est appelée tube de sécurité. L’ensemble tube de sécurité et enceinte EP est appelé cellule EP. L’enceinte et le tube de sécurité ont été réalisés en Zircaloy-4 pour optimiser la transparence neutronique au niveau du crayon d’essai. Dans un but de radioprotection, la partie de la BEP reliant l'enceinte EP au caisson BEP est placée dans un blindage de plomb.
L'hodoscope
Une autre spécificité remarquable de l’installation CABRI est son hodoscope. Cet équipement de mesure de l’IRSN, quasi unique au monde2, est dédié au suivi en temps réel des mouvements du combustible du crayon d’essai.
L’hodoscope est situé dans l’axe du cœur du réacteur et les neutrons venant du combustible d’essai sont acheminés, par l’intermédiaire d’un collimateur, jusqu’aux détecteurs. Le collimateur traverse la piscine du réacteur à l’intérieur d'un fourreau étanche et vise la cellule d’essai dans laquelle se trouve le combustible d’essai. Les rotations du collimateur permettent son alignement sur le crayon d’essai. Ses caractéristiques sont les suivantes : 3 m de long, 5 t et la face avant du collimateur est distante de 1020 mm de l’axe du cœur.
(2) Le réacteur TREAT aux Etats Unis (Idaho National Laboratories) est également équipé d’un hodoscope, mais celui-ci n’a plus fonctionné depuis de nombreuses années et utilisait des détecteurs d’une autre conception.
Photo : schéma de principe de l'hodoscope
Le collimateur se compose d'une matrice de fenêtres de mesure réparties sur 3 colonnes comprenant 51 rangées chacune, soit un total de 153 fenêtres de mesure. Chaque fenêtre comprend un compteur à proton de recul (PR) et une chambre à fission (CF), ce qui fait un total de 306 voies de comptage de neutrons.
Les détecteurs ne détectent que les neutrons rapides issus du crayon d’essai à une cadence d’acquisition maximale de 1 ms. L’hodoscope fournit ainsi en temps réel le profil de puissance du crayon d’essai. Il permet de mesurer l’élongation et de détecter les relocalisations éventuelles du combustible.
Photo : l'hodoscope installé sur le réacteur CABRI.
Le poste IRIS
Les mesures en direct effectuées avec l’hodoscope sont complétées, avant et après l’essai, par une batterie d’examens non destructifs réalisés, sur l’installation, dans le poste IRIS (installation de radiographie, imagerie et spectrométrie) de l’IRSN. Il s’agit d’un poste de mesure dédié aux examens non destructifs (END) des crayons d'essai testés dans le réacteur CABRI.
Il permet de caractériser la dégradation du crayon d'essai suite au pulse de puissance, et de quantifier la répartition des produits de fission. Les 2 types d’examens non destructifs sur le crayon testé dans CABRI sont : la mesure de spectrométrie gamma ou gamma scanning, et la mesure d'imagerie X.
Pour cela, le poste IRIS comprend un puits de section carrée de 1 m de côté et 11 m de profondeur dans lequel se trouve un fourreau motorisé où est inséré le dispositif qui contient le crayon d’essai. Un ascenseur permet alors de déplacer le dispositif devant 2 visées d’examen (Visée spectrométrie gamma à - 5 m et visée d’imagerie X à - 8 m).
Photo: implantation du poste IRIS dans le bâtiment du réacteur CABRI
Mesure de spectrométrie gamma ou gamma scanning :
Mesure quantitative du profil d'activité gamma linéique des produits de fission et/ou d'activation présents dans le crayon d'essai.
Mesure d'imagerie X :
Le rayonnement X est généré par un accélérateur linéaire d’électrons qui est implanté sur deux niveaux distincts de l’installation. La casemate de l’accélérateur, qui permet de générer l’onde HF, se situe au niveau 0. L’onde HF est transmise via un guide d’onde à la tête X, implantée à -8 m et qui permet d’accélérer des électrons qui vont venir sur une cible en tungstène créer des rayons X par rayonnement de freinage. Le faisceau de rayon X est produit avec un débit de dose de 13 Gy/min à 1 m et une énergie maximale de 8 MeV.
Mesure de l’atténuation d’un rayonnement X généré par un accélérateur, transmis à travers le dispositif puis capté par la caméra :
- tomographie X (via le mouvement de rotation d’un dispositif), ce qui permet d’obtenir une cartographie quantitative de la densité sur une coupe transversale du dispositif d’essai.
- radiographie X (via le mouvement de translation du dispositif).
Photo / Visée d'imagerie X à -8 m
Salle de commande à distance de l’équipement de mesures non-destructives IRIS :
La salle de commande située à l'extérieur du bâtiment du réacteur permet d'analyser le dispositif d'essai avant et après l'essai.
Photo : Nathalie Monchalin dans la salle 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.
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Le film qui retrace la préparation des essais