Repères - N°36 / Janvier 2018 - Le magazine de l’Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire - 7

faItS et peRSpectIveS

Détail des palets d'oxyde
d'uranium dans les
crayons de combustible.

ProCess
Les gaines des crayons de combustible du parc français ont été conçues avec
du Zircaloy-4. Pourquoi cet alliage va-t-il être remplacé ? Quel est le risque pour
les réacteurs français ? Explications.
Qu'est-ce qu'un crayon
de combustible ?

Assemblage de combustible
Grappe
de contrôle

1 cm

Assemblage de combustible
Embout supérieur
Grappe
de contrôle

1 cm

Embout supérieur

2000 dans le réacteur de recherche Cabri
implanté à Cadarache (Bouches-du-Rhône). Des crayons déjà corrodés sont soumis à un accident de réactivité simulant
l'éjection d'une grappe de contrôle. « Ce
retrait provoque un emballement de la réaction nucléaire et les pastilles de combustible s'échauffent très vite. Elles se dilatent
et exercent des contraintes importantes sur
la gaine, qui risque de se rompre », détaille
Olivier Dubois (voir infographie). Les experts utilisent le logiciel Scanair, développé
par l'IRSN. « Il sert à modéliser l'ensemble
des phénomènes en jeu : échauffement et
gonflement du combustible, déformation de
la gaine et relâchement de gaz de fission... »,
explique Olivier Marchand, expert en simulation du comportement du combustible.

Pastilles de
combustible
Ressorts
Gaine

Tubes guides

Pastilles de
combustible
Gaine

Tubes guides
Grille
de maintien
intermédiaire

300 °C
155 bars

Grille
Crayon de
decombustible
maintien
intermédiaire

Crayon de
combustible

300 °C
155 bars
4m

Quel effet sur la gaine en Zircaloy-4 ?
les crayons de combustible baignent dans l'eau
à 300 °C du circuit primaire à une pression
de 155 bars. Conséquence : le zirconium de
la gaine - constituant du zircaloy-4 - s'oxyde.
Cette corrosion produit une couche de zircone
- qui diminue l'épaisseur du métal - et de
l'hydrogène qui fragilise le matériau.

Les seuils de 80
et 108 micromètres
En s'appuyant sur l'interprétation de
ces essais avec Scanair, des seuils limites
d'épaisseur de corrosion sont identifiés.
Au-dessus de 80 micromètres, il y a un
risque potentiel de rupture de gaine. Si
l'épaisseur dépasse 108 micromètres, le
risque est avéré. Sur la base de ces valeurs,
l'Institut préconise des mesures compensatoires, imposées par l'ASN. « Au-dessus
de 108 micromètres, le combustible concerné doit être remplacé. Au-dessus de 80 micromètres, le réacteur doit être exploité avec
les grappes de contrôle en position haute
pour limiter les effets d'une éjection », résume Olivier Dubois. Les conséquences
sont immédiates : l'industriel est obligé de
modifier les règles d'exploitation de son
parc nucléaire (voir interview p. 8). Un
suivi semestriel est opéré par EDF pour
s'assurer du respect des mesures compensatoires. « Il n'a donné lieu à aucune alerte
depuis 2014 », se félicite Olivier Dubois.

Ce tube de métal fermé aux extrémités
contient les pastilles de combustible
nucléaire empilées. les crayons sont
assemblés en grappe. les 264 crayons
constituent un assemblage de
Ressorts combustible.

Quels sont les risques ?
1 L'éjection de la grappe

de contrôle
elle contient des matériaux
capables d'absorber les neutrons
et donc de contrôler la réaction
nucléaire. en cas de rupture de
son mécanisme, la grappe peut
se relever brutalement, ce qui se
Grappe
traduit par un emballement
local
de la réaction nucléaire. de contrôle
Crayon
Grappe
deabsorbant
contrôle

2 Le risque de rupture

les pastilles de combustible
montent rapidement en
température : jusqu'à
2 500 °C en quelques
dizaines de millisecondes.
elles se dilatent et exercent
une poussée sur la gaine du
crayon. Fragilisée, la gaine
risque de se rompre.

3 Les conséquences

en cas de rupture, des
gaz de fission - xénon,
krypton, hélium... -, voire
des matières solides très
chaudes et radioactives,
sont libérés dans le
circuit primaire. le cœur
n'est plus correctement
refroidi, pouvant conduire
à un accident grave.

Crayon
absorbant

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Gaines en Zircaloy-4 : quels sont les risques ?

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