Dans les centrales nucléaires, les systèmes de refroidissement passifs fonctionnent sans pompes ni courant électrique: pour évacuer la chaleur, ils exploitent uniquement certains effets physiques comme les différences de densité. Des scientifiques de l’Institut Paul Scherrer PSI viennent d’analyser de manière expérimentale ces systèmes destinés aux petits réacteurs modulaires. Ils ont recueilli pour la première fois des données de mesure à haute résolution, avec lesquelles ils fournissent une base importante pour le développement des futures générations de réacteurs.
Les petits réacteurs modulaires sont des centrales nucléaires compactes avec une puissance électrique pouvant atteindre 300 mégawatts. Ils sont donc nettement plus petits que les installations actuelles dont la puissance atteint environ 1000 mégawatts, voire davantage. Ils peuvent être fabriqués en grandes séries, de manière industrielle, et sont considérés comme prometteurs pour des scénarios d’utilisation flexibles. L’une des caractéristiques essentielles de bon nombre de ces réacteurs est leur concept de sécurité: ils misent sur le refroidissement passif à la place des systèmes actifs qui nécessitent de l’énergie externe. Certains effets physiques, comme la condensation, la gravitation et les différences de densité, assurent la sécurité du réacteur en cas d’urgence.
La simulation de ces processus de refroidissement complexes nécessite des données expérimentales qui, jusqu'à présent, n'étaient disponibles qu'en quantité limitée. Une nouvelle étude menée à l'Institut Paul Scherrer (PSI) apporte désormais des contributions importantes pour combler cette lacune. Des scientifiques ont étudié pour la première fois ces systèmes de refroidissement destinés aux petits réacteurs modulaires dans l’installation de recherche PANDA du PSI. Leurs expériences ont été conduites avec le soutien scientifique de partenaires de coopération issus de dix pays. Elles fournissent des données de mesure à haute résolution qui peuvent être utilisés pour valider ces systèmes dans des simulations. Leurs résultats ont été publiés dans la revue spécialisée Nuclear Engineering and Design.
Evacuer la vapeur par échange thermique naturel
L’expérience menée au PSI portait sur une question clé dans la construction de centrales nucléaires: en cas d’accident, que se passe-t-il si la vapeur s’échappe du réacteur et atteint l’enceinte de confinement de la centrale? Cette vapeur doit être refroidie, sans quoi la pression monte dans l’enceinte de confinement. Dans les installations conventionnelles, ces sont des systèmes de sécurité actifs qui assurent ces tâches, comme des systèmes de pulvérisation d’eau qui nécessitent des pompes et des soupapes. Ils évacuent la chaleur et maintiennent sous contrôle la pression dans l’enceinte de confinement. Mais ces systèmes nécessitent une alimentation électrique fiable. Si celle-ci ne fonctionne plus, cela peut limiter leur fonction. Pour cette raison, les scientifiques étudient de plus en plus comment refroidir la vapeur de manière passive.
L’équipe de projet autour de Yago Rivera Duràn du Centre de l’ingénierie et des sciences nucléaires au PSI a testé un circuit de refroidissement fermé. Il s’agit d’un tuyau vertical d’environ six mètres de hauteur dans lequel s’écoule de l’eau froide. En cas d’incident, si de la vapeur s’échappe dans l’enceinte de confinement, elle entre en contact avec la surface froide du tuyau, s’y condense et retombe sous forme d’eau dans le réacteur.
La chaleur ainsi dégagée est transmise à l’eau qui se trouve à l’intérieur du tuyau. L’eau chaude étant plus légère que l’eau froide, elle remonte naturellement vers le haut. Une fois qu’elle est là, elle transmet sa chaleur à un réservoir d’eau. L’eau refroidie retourne ensuite vers le bas. On obtient ainsi un circuit naturel, basé uniquement sur la différence de densité entre eau chaude et eau froide, qui se passe entièrement de pompes et d’électricité.
Des expériences antérieures avaient déjà montré que ces systèmes fonctionnaient. L’équipe du PSI a maintenant franchi une étape supplémentaire et vient de présenter des données de mesure extrêmement détaillées, qui montrent précisément comment se déroulent les processus physiques à l’intérieure d’une installation à l’échelle d’une centrale nucléaire. Les scientifiques se sont servis de caméras à haute vitesse pour documenter ces processus en détail, y compris les minuscules gouttelettes d’eau de condensation à la surface du tuyau.
Ils ont été les premiers à observer comment les gaz se séparent à l’intérieur de l’enceinte de confinement: l’air s’accumule davantage dans la partie inférieure, alors que la vapeur tend à rester dans la partie supérieure. Cette constatation est importante, tant pour la conception du réacteur que pour les simulations informatiques. Si cet effet n’est pas pris en compte, le système risque en effet d’évacuer la chaleur de manière moins efficace.
Les scientifiques ont par ailleurs suivi le cheminement de minuscules particules présentes dans le gaz et ont démontré que lorsque celui-ci se trouve à proximité du tuyau, il ne se déplace que très lentement. Dans cette zone, la condensation n’est donc pas déterminée par des courants importants, mais avant tout par la diffusion: la vapeur d’eau n’atteint que lentement la surface du tuyau où elle se condense. Autrement dit, le processus de refroidissement dépend fortement de conditions locales.
PANDA n’est pas un «vrai» réacteur, mais une source de données réalistes
Ces expériences ont été menées à PANDA, une installation de recherche unique au monde. PANDA est l’acronyme de l’allemand «PAssive Nachwärmeabfuhr und DruckAbbau-Testanlage», ce qui signifie «installation d’essai pour l’évacuation passive de la chaleur résiduelle et la réduction de la pression». Elle s’étire sur cinq étages et sur une hauteur de 25 mètres. L’installation se compose de plusieurs cuves d’un volume total d’environ 500 mètres cubes, dans lesquelles il est possible de simuler de manière réaliste les processus qui se jouent dans les réacteurs nucléaires.
PANDA ne contient pas de matériau radioactif. La vapeur, qui peut atteindre une température de 200 degrés Celsius et une pression de 10 bar, est produite par un chauffage électrique d’une puissance de 1,5 mégawatt. Des mélanges gazeux provenant de différentes parties de l’installation peuvent être prélevés à plus de 80 endroits et ensuite être analysés avec un spectromètre de masse.
La force de PANDA réside dans sa flexibilité. A l’heure actuelle, des dizaines de concepts différents de réacteurs modulaires sont en discussion. Or cette installation d’essai permet d’en reproduire beaucoup. 1450 capteurs fournissent de précieuses données. «Jusqu’ici, les développeurs de simulations ne pouvaient pas être sûrs que leurs calculs correspondaient bien à la réalité, explique Yago Rivera Durán. Avec PANDA, nous comblons cette lacune.» Avec elle, des données sont disponibles pour la première fois. Elles seront décisives pour les contrôles de sécurité et l’autorisation de futurs réacteurs.
Complet jusqu’aux années 2030
Le caractère unique de PANDA a réuni des instituts de recherche, des universités et des autorités réglementaires de dix pays du monde entier. A l’heure actuelle, des projets nationaux sont en cours avec Swissnuclear, l’association des exploitants suisses de centrales nucléaires, mais aussi des projets avec l’Union européenne et des coopérations avec des partenaires d’Europe, d’Amérique et d’Asie.
Cette toute nouvelle publication donne le coup d’envoi d’une initiative internationale de référence, basée sur les données PANDA. Vingt-cinq institutions participent déjà à cette collaboration internationale. Elles utiliseront ces résultats expérimentaux pour vérifier leurs méthodes de simulation et les améliorer. Le projet suivant, PANDA-2, s’appuiera sur ces travaux et se concentrera encore davantage sur des scénarios complexes ainsi que sur le fonctionnement à long terme des systèmes de sécurité passifs. Pour l’instant, ce projet international est prévu jusqu’en 2030, alors que les projets nationaux et les projets de l’UE sont déjà planifiés pour durer jusque dans une bonne partie des années 2030.