Enthalpie de combustible nucléaire – Critères d’acceptation
Comme il a été écrit, l’enthalpie est l’un des potentiels thermodynamiques et représente une mesure de l’énergie dans un système thermodynamique.
L’enthalpie est une quantité importante, elle dépend de la taille du système ou de la quantité de substance qu’il contient.
H = U + pV
L’enthalpie du combustible nucléaire est également utilisée comme critère d’acceptation dans des types d’accidents très spécifiques, appelés accidents à réactivité (AIR), tels que les accidents d’éjection de tiges. Les AIR sont des accidents supposés qui impliquent une insertion soudaine et rapide d’une réactivité positive. Suite à une excursion rapide de la puissance, la température du carburant augmente rapidement, entraînant une dilatation thermique des pastilles de carburant. L’excursion de puissance est initialement atténuée par le coefficient de température du carburant (ou rétroaction Doppler), qui sera la première rétroaction, qui compensera la réactivité positive insérée.
Lors de ces accidents, le dépôt important et rapide d’énergie dans le carburant peut entraîner la fusion, la fragmentation et la dispersion du carburant. L’action mécanique associée à la dispersion du carburant peut être suffisante pour détruire la gaine et la géométrie du faisceau de barres du combustible et produire des impulsions de pression dans le système primaire. L’expulsion de combustibles chauds dans l’eau peut entraîner une génération rapide de vapeur et de pulsations de pression susceptibles d’endommager les assemblages combustibles situés à proximité. Les limites de l’enthalpie spécifique du carburant sont utilisées, car les tests expérimentaux montrent que le degré d’endommagement des barres de combustible est bien corrélé à la valeur maximale de l’enthalpie spécifique des pastilles de combustible.
Les critères d’acceptation réglementaire varient selon le pays et le type de réacteur, mais il existe généralement deux types de limites d’enthalpie du combustible:
- CRITÈRES DE REFROIDISSEMENT DE BASE . La réduction de la capacité de refroidissement peut résulter d’une expulsion violente du carburant, qui pourrait endommager les assemblages combustibles à proximité. Dans le passé, les critères de refroidissement de base ont été révisés pour traiter spécifiquement à la fois les phénomènes à court terme (par exemple, interaction carburant-liquide de refroidissement, éclatement de la tige) et à long terme (par exemple, le gonflement des barres de carburant, le blocage du débit) qui mettent en cause la géométrie refroidissable et le réacteur l’intégrité des limites de pression. Une limite définie pour les dommages au cœur, qui ne doit pas être dépassée à n’importe quelle position dans un crayon de combustible dans le cœur. Selon l’annexe B du plan d’examen standard, section 4.2, ces critères sont, par exemple:
- L’enthalpie radiale moyenne du combustible doit rester inférieure à 230 cal / g. Au-dessus de cette enthalpie, des particules de carburant chaudes peuvent être expulsées d’un crayon de combustible.
- La température maximale du carburant doit rester inférieure aux conditions de fusion du carburant naissant.
- CRITÈRES DE DÉFAILLANCE DU REVÊTEMENT DE CARBURANT . Un seuil de défaillance des crayons combustibles, qui définit si un crayon combustible doit être considéré comme défaillant ou non dans les calculs de rejet radioactif (terme source). Selon l’annexe B du plan d’examen standard, la section 4.2 des crayons combustibles peut tomber en panne par plusieurs mécanismes de dommages:
- Le critère de défaillance de température de gaine élevée pour des conditions de puissance nulle est une enthalpie moyenne radiale de carburant supérieure à 170 cal / g pour les crayons de carburant avec une pression de tige interne égale ou inférieure à la pression du système et 150 cal / g pour les crayons de combustible avec une pression de tige interne supérieure à pression du système.
- Le critère de défaillance PCMI est un changement de l’enthalpie radiale moyenne du carburant supérieur à la limite dépendante de la corrosion décrite à l’annexe B du plan d’examen standard, section 4.2.
Comme on peut le voir, l’enthalpie spécifique au combustible, c’est-à-dire l’enthalpie par unité de masse du matériau des pastilles de combustible, est donc un paramètre fondamental dans les discussions sur les accidents déclenchés par la réactivité. Une défaillance de la gaine de carburant peut se produire presque instantanément pendant la montée rapide de l’enthalpie du carburant (due à PCMI) ou peut se produire lorsque l’enthalpie totale du carburant (rapide + retardée), le flux de chaleur et la température de la gaine augmentent. Aux fins du calcul de l’enthalpie du carburant pour évaluer les défaillances du PCMI, l’augmentation rapide de l’enthalpie du carburant est définie comme la hausse radiale moyenne de l’enthalpie du carburant au moment correspondant à une largeur d’impulsion après le pic de l’impulsion rapide. Pour évaluer les défaillances de température de gaine élevées, l’enthalpie radiale moyenne totale du combustible (rapide + retardée) doit être utilisée.
Référence spéciale: US NRC. Plan d’examen standard – NUREG-0800. 4.2 CONCEPTION DU SYSTÈME DE CARBURANT. Révision 3 – mars 2007.
Référence spéciale: Rapport sur l’état de l’art de l’Agence de l’OCDE pour l’énergie nucléaire, «Comportement du combustible nucléaire dans les conditions de l’AIR», 2010.
Référence spéciale: Peter Rudling, Lars Olof Jernkvist. Comportement du combustible nucléaire dans les conditions RIA. Advanced Nuclear Technology International, 12/2016.
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