Que sont les mécanismes de panne de carburant – Définition

Il existe diverses causes profondes de panne de carburant, qui ont été identifiées dans le passé. Aux premières dates d’exploitation des REP et des REB, ces causes étaient principalement des défauts de fabrication ou des frottements. La liste suivante n’est pas complète, il existe également des mécanismes de défaillance typiques de certaines conceptions de réacteurs et de combustibles. Il convient également de noter que de nombreuses causes de panne de carburant n’ont jamais été identifiées et restent inconnues.

• Fréquentant.  Le fretting était l’un des principaux mécanismes de défaillance aux premières dates d’exploitation des REP et des REB. Il a généralement deux variantes.
  • Débris frottant. Le frottement des débris peut être causé par tout débris (matière étrangère – généralement métallique) qui peut pénétrer dans la grappe de combustible et qui a le potentiel de se loger entre la grille d’espacement et une barre de combustible. L’usure par frottement de la gaine de combustible peut entraîner la pénétration de la gaine.
  • Frettage grille-tige. Le fretting grille-barre provient de la vibration de l’élément combustible générée par la
    vitesse élevée du liquide de refroidissement à travers la grille d’espacement. Des grilles d’espacement sont soudées sur les tubes guides et assurent, au moyen de ressorts et d’alvéoles, le support et l’écartement des crayons combustibles. Une vitesse élevée du liquide de refroidissement peut provoquer le frottement de la tige contre la partie de la grille d’espacement
    qui la maintient. Ce type d’usure du revêtement peut être minimisé par une conception appropriée de la grille d’espacement. Le jet de chicane est généralement regroupé sous le frottement grille-tige.
• Interaction pastille-gaine (PCI). Les pannes dues au PCI sont typiques des changements de puissance, du mouvement de la tige et du démarrage de l’usine. Ils surviennent généralement quelques heures ou quelques jours après une rampe de puissance ou un mouvement des barres de commande. Cela se traduit notamment par des restrictions de vitesse de rampe de démarrage.
• Déssecher. Dans les REB, lorsque le flux de chaleur dépasse une valeur critique (CHF – flux de chaleur critique), le schéma d’écoulement peut atteindre les conditions d’assèchement (une fine pellicule de liquide disparaît). Le transfert de chaleur de la surface du carburant vers le liquide de refroidissement est détérioré, avec pour résultat une augmentation drastique de la température de surface du carburant. Ce phénomène peut provoquer une défaillance du crayon combustible affecté.
• Défauts de fabrication
  • Défauts de soudure du bouchon d’extrémité.
  • Effondrement par fluage du revêtement. L’effondrement de la gaine peut être provoqué par la densification des pastilles de combustible formant des espaces axiaux dans la colonne de pastilles, entraînant un effondrement dû à la pression extérieure. Étant donné que le fluage dépend du temps, un effondrement complet se produit généralement à une combustion plus élevée. Ce type de défaillance peut être éliminé grâce à l’utilisation de granulés à densification modérée et pré-pressurisation des crayons.
  • Surface de granulés manquante
• Hydratation interne. L’inclusion par inadvertance de matériaux contenant de l’hydrogène à l’intérieur d’une barre de combustible peut entraîner une hydruration et donc une fragilisation de la gaine de combustible. Les sources d’hydrogène étaient principalement l’humidité résiduelle ou la contamination organique dans les pastilles/barres de combustible. Cette cause de défaillance a été pratiquement éliminée grâce à une fabrication améliorée.
• Crud induit la corrosion. Les défaillances de corrosion induites par l’encrassement sont soit dues à un flux de chaleur anormalement élevé dépassant les limites de flux thermique ou de corrosion par combustion, soit à des problèmes de chimie de l’eau entraînant des dépôts d’encrassement excessifs. Dans les REB, la corrosion induite par le crud était l’une des principales causes de défaillance du combustible dans les années 1980.
• Fissuration retardée par les hydrures (DHC). La fissuration retardée par les hydrures est l’initiation et la propagation des fissures en fonction du temps à travers la fracture des hydrures qui peuvent se former en avant de la pointe de la fissure. Ce type de défaillance peut être initié par de longues fissures à la surface extérieure du revêtement, qui peuvent se propager dans une direction axiale/radiale. Ce mécanisme de défaillance peut potentiellement limiter le
  fonctionnement à taux de combustion élevé.
• Dommages liés à la manutention du carburant

Voir aussi : AIEA, Examen des pannes de combustible dans les réacteurs refroidis à l’eau. N° NF-T-2.1. ISBN 978–92–0–102610–1, Vienne, 2010.

Perte d’étanchéité de la gaine de combustible

La gaine empêche les produits de fission radioactifs de s’échapper de la matrice combustible dans le caloporteur du réacteur et de le contaminer. L’apparition d’une fuite dans cette gaine entraîne:

• le transport d’éléments chimiques spécifiques (produits de fission) stables et radioactifs  (iode, xénon, krypton …) dans le circuit primaire du réacteur
• dépôts d’isotopes à vie longue (césium, strontium, technétium …), voire, exceptionnellement, d’émetteurs alpha sur les tuyauteries du circuit primaire, ou des circuits annexes
• une augmentation du niveau global d’irradiation de ce circuit, par rapport au niveau déjà dû aux produits d’activation (produits de corrosion, ex : cobalt, chrome, fer notamment)

Une fuite représente donc un défi majeur en termes opérationnels, pour un exploitant de centrale, car elle a une incidence directe sur le niveau d’exposition radiologique des travailleurs, lors de l’exploitation de la centrale ou lors de la maintenance. Bien que les pannes de combustible aient rarement été un problème lié à la sécurité, leur impact sur les coûts d’exploitation de la centrale est dû à:

• décharge prématurée de carburant,
• suite à un raccourcissement de cycle,
• d’éventuels arrêts non programmés,
• augmentation du volume de combustible usé

L’une des étapes nécessaires pour atteindre l’objectif zéro défaut consiste à comprendre les causes profondes des défaillances et leurs mécanismes, afin que certaines actions correctives puissent être mises en œuvre, soit par des améliorations dans la conception et la fabrication du combustible par les fournisseurs de combustible, soit par des changements opérationnels, tels que comme des manœuvres à puissance réduite.

Référence spéciale : CEA, Direction de l’énergie nucléaire. Combustibles nucléaires, ISBN 978-2-281-11345-7

La science des matériaux:

1. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
2. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
4. En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus :
Problèmes matériels