Papirus, plateforme dédiée aux technologies du sodium - Sfen

Papirus, plateforme dédiée aux technologies du sodium

Publié le 29 août 2017 - Mis à jour le 28 septembre 2021
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A Cadarache (Bouches-du-Rhône), sur sa plateforme Papirus, le CEA et sa cinquantaine de spécialistes développent et testent de nouvelles technologies pour améliorer la démonstration de sûreté et la disponibilité d’ASTRID, démonstrateur de réacteur à neutron rapide (RNR) refroidi au sodium actuellement à l’étude.

Développer des briques technologies pour les réacteurs du futur

Se déplacer et voir dans un métal

Métal gris et brillant, le sodium, caloporteur [1] retenu pour le démonstrateur ASTRID, est opaque. Pour pouvoir révéler et contrôler ce qu’il cache, le développement de technologies spécifiques est nécessaire. C’est un des volets sur lequel le CEA travaille sur sa plateforme Papirus. Les recherches qui y sont menées ont permis le développement de capteurs métalliques ultrasonores uniques au monde permettant de voir dans le sodium à haute température en reconstruisant des images à partir de données acoustiques. Concrètement, une onde ultrasonore est envoyée puis récupérée : on appelle cette méthode « pulse-echo ».

Aujourd’hui, les capteurs utilisés, fonctionnant à très haute température, sont basés sur une technologie « mono-éléments » et, à moyen terme, celle des capteurs multi-éléments est visée. Au lieu d’avoir un seul émetteur-récepteur par capteur, comme dans les anciennes technologies, il y en a toute une matrice, ce qui permet par exemple de limiter drastiquement le nombre de mouvements nécessaires pour reconstruire une image. Des technologies totalement nouvelles pour cet usage et qui pourraient avoir d’autres débouchés. « Nous cherchons des partenaires industriels et avons lancé des études sur des marchés potentiels » explique Olivier Gastaldi, chef du service. Pouvant fonctionner à 600 °C et au-delà, ces capteurs intégralement métalliques intéressent déjà des industriels travaillant sur des réacteurs à eau sous pression.

Papirus, plateforme dédiée aux technologies du sodium

Mieux détecter les éventuelles fuites de sodium

Les équipes de Papirus planchent aussi pour améliorer la détection des éventuelles fuites de sodium. Dans le passé, des fils métalliques noyés dans un empilement de perles céramiques percées localement et qui isolaient électriquement le fil de la paroi métallique d’une tuyauterie de circuit véhiculant le métal liquide étaient utilisés. Quand le sodium, conducteur car métallique, touchait le fil, le court-circuit qui en résultait permettait d’identifier et de localiser, par tranche de quelques mètres, une fuite, mais le temps de réponse pouvait être « long » en fonction de la disposition de ces câbles sur la tuyauterie par rapport au point de fuite. Ce système pouvait également être sujet à des fausses alarmes, ce qui perturbait l’exploitation du réacteur et pouvait réduire sa disponibilité. Pour ces raisons, le CEA cherche actuellement à mettre au point un dispositif de détection utilisant des matériaux isolants thermiques et conducteurs d’électricité pour constituer un système d’isolants multicouches qui recouvrira entièrement les tuyauteries véhiculant du sodium. Une première couche sera constituée d’un isolant thermique non conducteur, une deuxième d’un isolant thermique conducteur avertissant en cas de fuite. Le CEA, qui a breveté cette technologie, cherche désormais les industriels capables de réaliser ce montage et de porter ce projet à maturité commerciale. Mise en pratique, une telle innovation permettra d’atteindre un temps de réponse largement amélioré (plus d’une décade). Parallèlement, le CEA travaille aussi sur une autre technologie consistant à napper la tuyauterie de fibres optiques pour détecter les variations de température consécutives à une fuite de sodium. Plus fiables et plus rapides, ces nouvelles technologies de détection pourront même s’appliquer à d’autres fluides que le sodium. « D’autres industriels, notamment ceux travaillant avec des fluides conducteurs (solutions chargées…), pourraient s’y intéresser », explique Olivier Gastaldi.

Échangeur de chaleur sodium-gaz, un composant clef pour ASTRID

Dans le même bâtiment, le CEA travaille sur une boucle d’essais, qui permet de mettre à jour, de tester et d’améliorer les équipements et l’instrumentation pour les dispositifs en sodium liquide. Actuellement utilisée pour la validation de la technologie d’échangeur de chaleur sodium-gaz, cette boucle permet de valider le comportement thermohydraulique (perte de charge, échanges de chaleur) sur des maquettes de 40 kWth ainsi que leur procédé de fabrication (assemblage des plaques réalisé par compression isostatique à chaud). En amont, le CEA a optimisé ce procédé en collaboration avec des équipes de la DRT (Direction de la recherche technologique) du CEA de Grenoble ainsi que le contrôle de fabrication grâce à du contrôle non destructif en collaboration avec des équipes DRT du CEA de Saclay. Le recours à cette technologie résulte de la volonté de remplacer sur ASTRID le fluide tertiaire eau vapeur utilisé sur les RNR-Na français du passé par de l’azote sous pression ; cette option constituant un atout pour la démonstration de sûreté. « Nous sommes sur des briques technologiques », précise Olivier Gastaldi, qui explique que si l’on envisage, au-delà d’ASTRID, de passer à du CO2 supercritique, ce type d’échangeur pourrait avoir un intérêt avec une transposition quasiment immédiate.

 
GISEH, plateforme d’essais en eau
À Cadarache, toute la validation et qualification de technologies sodium n’est pas seulement réalisée en fluide réel mais aussi en fluide simulant. À ce titre, la plateforme GISEH recourt à l’eau qui peut être un bon simulant pour représenter des comportements hydrauliques et dans une moindre mesure thermohydrauliques du sodium.
 

Étudier le comportement du sodium

Une pompe électromagnétique pour faciliter la maintenance et améliorer la sûreté

La plateforme Papirus abrite une autre innovation de pointe pour les réacteurs du futur : une pompe électromagnétique dynamique. Conçue par le CEA, qui a également piloté sa réalisation, cette pompe électromagnétique est dimensionnée pour faire circuler 1 500 m3 de sodium par heure, soit un quart du débit des boucles secondaires du réacteur. Contrairement à une pompe mécanique, aucune pièce n’est en mouvement, et il n’y a pas de passage d’arbre à travers la conduite de sodium. En l’absence de pièces mécaniques au contact du sodium, une pompe électromagnétique simplifie donc la maintenance tout en améliorant la sûreté en minimisant le risque de fuite. Les expériences menées sur cette pompe à l’aide de la plateforme Papirus permettront de mieux comprendre les phénomènes magnétohydrodynamiques complexes, de les modéliser et ainsi de partager avec les partenaires industriels d’ASTRID des outils de dimensionnement plus précis.

Capitaliser sur le retour d’expérience de Phénix et Superphénix

La plateforme Papirus permet plus largement de tester le comportement en milieu sodium des matériaux ; de prototypes de capteurs ou composants de petite taille, avant de lancer des essais dans des configurations plus représentatives. Le CEA s’appuie également dans ce domaine sur sa longue expérience des réacteurs refroidis au sodium. Laure Moinot, expérimentatrice sur Papirus, rappelle ainsi que « les travaux pour démanteler les réacteurs Phénix et Superphénix au cours des quinze dernières années ont permis de faire des progrès dans le traitement du sodium nécessaire lors des opérations de réparation ou de manutention d’objets ayant été en contact avec le sodium. »

 
ASTRID en chiffres
2010-2015 : débuts des études de conception et phase d’avant-projet sommaire
2016-2019 : phase d’avant-projet détaillé
Puissance : 600 MWe
 


Dans un réacteur, le fluide caloporteur absorbe l’énergie de la fission sous forme de chaleur qu’il échange ensuite avec le circuit secondaire.


Par Tristan Hurel (SFEN)

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