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2016- Empoisonnement xénon

Effet xénon et optimisation du fonctionnement du réacteur

par Christian Brisse, Alain Filhol et Roland May

En décembre 2015 un essai a été effectué par l'équipe du réacteur pour voir si l'on pouvait gagner du temps supplémentaire de fonctionnement à la fin d'un cycle en utilisant au mieux l'effet xénon. La réalité a correspondu à la théorie, les calculs donnaient 1,5 jours de fonctionnement à ± 0,5 jour près. On a fait, selon le mot du responsable, 1,5 jour "gratuit". Au prix du jour de fonctionnement, c’est merveilleux !

Pour la première fois depuis quarante ans, le nombre de cycles de fonctionnement est tombé à trois par an, ce qui est peu. La cause en est de nouvelles normes très sévères imposées aux exploitants depuis Fukushima, ainsi qu’aux fabricants de combustibles avec, de ce fait, un surcoût significatif. De plus l’ASN (Autorité de Sureté Nucléaire) en a profité pour obliger la CERCA (notre fabriquant d’éléments combustibles) à faire les travaux de mise en conformité qu'elle avait repoussés depuis fort longtemps.
Pour fixer un ordre de grandeur, le coût de la seule fabrication d’un élément est de 1,2 million d’euros mais, en incluant le coût du combustible et le traitement après utilisation, la facture monte à près de 3 millions d’euros. Trois éléments combustibles représentent à eux seuls environ 10 % du budget de l’institut. Les responsables du réacteur ont donc envisagé la possibilité d’une économie substantielle grâce aux lois de la physique et à l’effet xénon.

Je vais tâcher de vous d’expliquer ce dont il s’agit, si possible sans équations, ni formules mathématiques.

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L’effet xénon, qu’est-ce que c’est ?

©2016 ILL, Bruno Desbrière

Tout d’abord il faut savoir qu’un noyau d’atome est composé de deux sortes de nucléons, des protons chargés positivement et des neutrons (neutres, comme leur nom l’indique). Des électrons chargés négativement gravitent en périphérie et leur nombre est normalement le même que celui des protons, ce qui fait que l’atome est électriquement neutre.

Le nombre de protons détermine la nature de l’élément : 1 pour l’hydrogène (H), 6 pour le carbone (C), 8 pour l’oxygène (O), 26 pour le fer (Fe) et 92 pour l’uranium (U). Beaucoup se rappelleront à ce sujet la fameuse classification périodique des éléments de Mendeleïev.

Pour un même élément, le nombre de neutrons peut varier, ce qui donne les "isotopes". Quand on parle de l’uranium-235 qui sert pour la "réaction en chaine" cela signifie qu’il y a 235 nucléons dans le noyau, c’est à dire 92 protons et 235 - 92 protons, soit 143 neutrons.

Quelques très rares noyaux fissionnent lorsqu’ils sont percutés par un neutron et c'est le cas des noyaux de l’uranium-235 de notre réacteur. Lors de cet impact ils se cassent en deux parties inégales accompagnées de l'émission de 2 ou 3 neutrons libres d'énergie élevée, lesquels vont pouvoir entretenir la réaction en chaîne en cassant à leur tour d'autres noyaux. Cette réaction en chaîne, soit on la contrôle et on a un réacteur, soit on la laisse se développer et on a une bombe.

Quand un noyau d’uranium-235 reçoit un neutron et l'absorbe, son noyau compte alors 236 nucléons. Devenu instable, il se débarrasse de deux ou trois neutrons qui vont alimenter la réaction en chaine, et il reste donc un noyau d'uranium prêt à fissionner comportant 233 ou 234 nucléons. Partons de 234. Toute une série de possibilités s’offre pour sa fission asymétrique, par exemple 90 et 144, 89 et 145, 88 et 146, 99 et 135, etc.

Et c’est là que la situation est originale. Les lois de la physique ont voulu que parmi tous ces produits de fission un isotope de xénon, le xénon-135, soit très "avide" de neutrons (5000 fois plus que l'uranium-235) et, ce faisant, vienne en compétition avec la réaction de fission. C’est comme si, dans votre foyer, les cendres étaient avides d’oxygène et étouffaient en partie la combustion. C’est ce que l’on appelle un poison et on parle d’empoisonnement xénon. Pendant le fonctionnement du réacteur, la présence de xénon-135 ne nuit pas, parce qu'il y a beaucoup de neutrons libres qui détruisent le xénon-135 qu'ils ont contribué à créer. Mais cela change quand on arrête le réacteur !

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Evolution de l'effet xénon

Pour comprendre ce qui se passe, nous allons tenter une analogie illustrée par une petite bande dessinée en 4 cases, celle d'une marmite à poison alimentée par deux robinets.

Lorsque le réacteur marche, le gros robinet déverse le poison (xénon-135) issu de la fission et le petit déverse le xénon-135 issu de la désintégration naturelle de l'iode-135,   lui même issu de la fission de l'uranium. La marmite déborderait donc vite si le feu nucléaire ne la faisait "bouillir". Le xénon-135 s'évacue (principalement par capture de neutrons - figuré ici par l'évaporation) donc aussi vite qu'il arrive et le niveau reste stable tant qu'il y a assez de neutrons. En fin de cycle, il ne reste plus assez d'uranium et les neutrons commencent à manquer, le xénon n'est plus éliminé et le coeur du réacteur s'empoisonne.
A l'arrêt du réacteur, en fin de cycle, la marmite ne "bout" plus (plus de neutrons) et contient donc déjà trop de poison. Si le gros robinet est fermé (plus de fission), en revanche le petit coule encore car la disparition spontanée de l'iode-135 prend du temps. Bref, le niveau monte dans la marmite car le poison ne "s'évapore" pas assez vite (il ne reste que la désintégration spontanée du xénon-135).
Au bout d'un certain temps, l'iode-135 résiduel est épuisé, le petit robinet ne coule plus, l'évacuation par désintégration continue et la marmite à poison commence à se vider.
Au bout de trois jours la marmite est vide (plus de xénon-135) et, en son absence, il reste assez d'uranium non brûlé dans le coeur pour qu'un redémarrage soit possible, mais pour 36 heures seulement car le réacteur en marche produit à nouveau son propre poison.

Et voilà donc l'origine de la rallonge du cycle 177 dont l'ILL a ainsi tiré parti pour la première fois en décembre 2015.

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Pour mettre des termes plus scientifiques sur cette analogie :
Le xénon-135 se forme de deux façons au sein de l'élément combustible :

  • directement en tant que produit de fission de l'uranium-235
  • indirectement par décroissance radioactive de son père l'iode-135, lui même créé par la réaction en chaine.

Le xénon-135 y est détruit de deux façons :

  • par capture d’un neutron puisqu’il en est très avide.
  • par décroissance radioactive naturelle (demi-vie de 9,2 h)

Pour ceux qui veulent aller plus loin sur le plan mathématique et physique vous trouverez des explications sur ce lien de wikipédia (parmi beaucoup d'autres.)

Avantage et inconvénient de la "rallonge" du cycle

Démarrage "à la manivelle"
©2010 A. Filhol

Avantage

  • il est évident et conséquent, c'est-à-dire 36 heures de fonctionnement supplémentaire totalement gratuites.

Inconvénient

  • à la fin du cycle il faut attendre 3 jours avant de faire re-diverger le réacteur pour 36 heures.

Tous les visiteurs ne voudront pas forcément rester 3 jours de plus pour un bonus de 36 heures, en revanche cela offre aux responsables d’instruments des périodes d'étalonnage qu'ils n'auront pas à déduire de la période de fonctionnement normal de leur instrument. C'est tout bénéfice !
Mais alors, si le rapport qualité/prix est si bon, pourquoi ne pas l’avoir fait avant ? Il me semble que c’est lié au contexte.
Au début de l’Institut les normes étaient nettement moins drastiques et les budgets moins difficiles à boucler. Nous fonctionnions sur la base de 5 cycles par an, ou 5 et demi. Les arrêts entre cycles étaient d'une grosse semaine, soit juste assez pour effectuer l’entretien nécessaire, décharger et recharger le combustible, et ça repartait pour 50 à 55 jours. Un grand arrêt annuel d’un mois permettait l’entretien plus poussé. En fait le temps manquait plus que le combustible. La situation s’est manifestement inversée ces dernières années.
Bravo donc au département réacteur d’avoir été réactif - au sens premier du terme cette fois (et non plus en pcm) - pour avoir su s’adapter à l’évolution de la situation. Et pour conclure il me revient à l’esprit une réflexion d’Hubert Reeves, dans un de ses ouvrages, qui disait à peu près ceci :

On reste parfois pantois devant les prouesses de l’esprit humain.
(sous entendu dans la conquête du savoir !)

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Dernière mise à jour: 09 May 2016