DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention appartient au domaine des procédés de traitement du circuit primaire d'un réacteur nucléaire utilisant l'eau comme caloporteur.

L' invention concerne plus particulièrement un procédé de traitement visant à limiter les effets de la corrosion d'un tube de générateur de vapeur.

ARRIERE-PLAN TECHNIQUE

L'eau constituant le caloporteur d'un réacteur nucléaire circule au sein d'un circuit fermé (appelé circuit primaire) qui traverse le cœur du réacteur et un générateur de vapeur.

Dans la cuve du réacteur en fonctionnement, l'eau du circuit primaire récupère la chaleur produite par les réactions nucléaires de fission du combustible nucléaire. Elle est alors généralement à une température comprise entre 286 °C et 330 °C.

A l'aide de pompes primaires, l'eau du circuit primaire quitte la cuve du réacteur et pénètre dans les tubes du générateur de vapeur. Dans ces tubes, elle échange sa chaleur avec l'eau du circuit secondaire afin de générer de la vapeur qui entraîne le groupe turboalternateur destiné à produire de l'électricité. Les conditions élevées de température et de pression du circuit primaire provoquent la corrosion généralisée de l'alliage constituant le tube générateur de vapeur.

Cet alliage contenant généralement un pourcentage en poids de nickel compris entre 60 % et 75 ~6 , sa corrosion aboutit au rejet de l'élément nickel dans l'eau du circuit primaire par dissolution d'une partie des produits de corrosion .

Lorsque l'eau du circuit primaire circule ensuite dans le cœur du réacteur, le nickel est irradié et produit du cobalt 58 ( ⁵⁸ Co) radioactif qui peut à son tour contaminer l'ensemble du circuit primaire, dont le générateur de vapeur, par incorporation du cobalt dans la couche des produits de corrosion.

Or, avant d'effectuer les interventions de maintenance périodique sur le circuit primaire et le générateur de vapeur, l'exploitant du réacteur nucléaire doit veiller à ce que la radioactivité ait suffisamment diminué, ce qui peut se traduire par une perte de temps et donc de revenus d'exploitation importante.

Il convient donc de limiter la quantité de cobalt 58 au sein du circuit primaire, en évitant au mieux de rejeter du nickel par corrosion de l'alliage constitutif du tube de générateur de vapeur.

EXPOSE DE L' INVENTION

Un des buts de l'invention est donc d'éviter ou d'atténuer les inconvénients décrits ci-dessus, en proposant un procédé de traitement permettant de limiter à la source le rejet, dans le circuit primaire, de nickel issu de la corrosion du tube de générateur de vapeur, afin de limiter la contamination qui s'ensuit par le cobalt 58. La présente invention concerne ainsi un procédé de traitement de la surface interne du tube de générateur de vapeur d'un réacteur nucléaire refroidi par eau, le procédé comprenant les étapes successives suivantes :

a) lorsque l'eau du circuit primaire du réacteur présente une température de 80 °C à 180 °C, on y introduit de la magnétite (Fe ₃ 0 ₄ ) afin d'obtenir une eau traitée ; et b) on fait circuler l'eau traitée de façon à la mettre en contact avec la surface interne du tube de générateur de vapeur sur laquelle elle forme une couche d'un oxyde protecteur permettant de fixer tout ou partie de la quantité de nickel susceptible d'être rejetée dans le circuit primaire par l'alliage constitutif du tube de générateur de vapeur .

La quantité de nickel qui est fixée est par exemple tout ou partie de celle rejetée pendant la durée de fonctionnement du réacteur. Le procédé de traitement de l'invention exploite avantageusement le fait que la magnétite contienne le fer sous les deux degrés d'oxydation Fe(II) et Fe(III). Cette particularité lui permet de s'associer avec les éléments nickel, fer, chrome et éventuellement cobalt (issu de l'irradiation du nickel avant la mise en œuvre du procédé de traitement de l'invention) contenus dans l'alliage du tube générateur de vapeur, afin de former sur la surface interne de ce tube une couche d'un oxyde protecteur de structure de type spinelle, par exemple de formule générale simplifiée suivante :

(Ni , Fe ¹ Co ¹ (Fe ¹ Cr ^III ) ₂ 0 ₄ Cet oxyde relativement insoluble constitue une barrière qui limite voire évite le rejet de nickel dans l'eau du circuit primaire, et donc la formation ultérieure de cobalt 58 après irradiation de ce nickel.

L' introduction de la magnétite lorsque la température de l'eau du circuit primaire est de 80 °C à 180 °C (éventuellement de 80 °C à 120 °C) est un point essentiel à la réussite de ce traitement. En effet, l'eau du circuit primaire constitue un milieu réducteur grâce à l'ajout usuel par l'opérateur d'hydrogène selon une concentration de 25 mL/kg à 50 mL/kg (à 0 °C, 1 bar) . Dans un tel milieu, la magnétite a la particularité d'être plus soluble à une température de 80 °C à 180 °C qu'à la température de fonctionnement nominal du réacteur, à savoir typiquement une température comprise entre 286 °C et 330 °C.

Ainsi, la température limite inférieure de 80 °C est nécessaire pour éviter la formation d'hydroxyde ferreux Fe(OH)2. La température limite supérieure de 180 °C (voire 120 °C) est une température limite précédant la montée en température du réacteur en fonctionnement nominal.

En pratique, la magnétite est donc généralement introduite dans l'eau du circuit primaire lorsque le réacteur nucléaire est à l'arrêt, typiquement dans un des domaines de fonctionnement du réacteur nucléaire qui précède le domaine de divergence, en particulier le domaine des sources ou le domaine de comptage, ou préférentiellement le domaine compris entre la mise en service des pompes primaires et le domaine de divergence. Ces domaines de fonctionnement sont notamment décrits dans « Dictionnaire des sciences et techniques nucléaires, Bernard Bigot, ISBN 978-2-916097-08-4, 4e édition, page 157 ».

La magnétite se dissout alors en tout ou partie dans l'eau du circuit primaire. Après circulation dans le circuit primaire, la magnétite contenue dans l'eau ainsi traitée peut alors être mise en contact par voie aqueuse avec la surface interne du tube générateur de vapeur afin d' y former la couche d'oxyde protecteur.

EXPOSE DETAILLE DE L' INVENTION

Dans la présente description, un verbe tel que « comprendre », « comporter », « incorporer », « inclure » et ses formes conjuguées sont des termes ouverts et n'excluent donc pas la présence d'élément (s) et/ou étape (s) additionnels s' ajoutant aux élément (s) et/ou étape (s) initiaux énoncés après ces termes. Toutefois, ces termes ouverts visent en outre un mode de réalisation particulier dans lequel seul (s) le (s) élément (s) et/ou étape (s) initiaux, à l'exclusion de tout autre, sont visés ; auquel cas le terme ouvert vise en outre le terme fermé « consister en », « constituer de » et ses formes conjuguées.

Le procédé de traitement de l'invention s'applique au générateur de vapeur d'un réacteur nucléaire refroidi par eau, par exemple de type réacteur à eau pressurisée (REP) .

La magnétite peut être introduite dans l'eau du circuit primaire de ce réacteur via une pompe doseuse, en sortie du circuit de contrôle chimique et volumétrique (circuit dit « RCV » selon la terminologie de l'exploitant nucléaire français, tel que décrit dans le document « Réacteurs à eau sous pression, Régis Durand-Smet, Techniques de l'ingénieur, référence B 3 100 » dans lequel la pompe doseuse est également appelée pompe de charge RCV) , ou via un filtre du circuit primaire en sortie du circuit RCV, et de façon générale dans toute partie du circuit primaire où la température est comprise entre 80 °C et 180 °C pendant la phase de redémarrage du réacteur nucléaire . Elle est par exemple introduite sous forme de poudre afin de favoriser sa dissolution.

La quantité de magnétite introduite intentionnellement dans l'eau du circuit primaire est telle qu'elle permet de former in situ une couche d'un oxyde protecteur permettant de fixer tout ou partie du nickel susceptible d'être rejeté dans le circuit primaire par le tube de générateur de vapeur, par exemple pendant la durée de fonctionnement du réacteur. Le procédé de traitement de l'invention est ainsi un traitement préventif.

La quantité de magnétite introduite dépend de la proportion de nickel susceptible d'être rejeté dans le circuit primaire que l'on souhaite fixer.

Le procédé de traitement de l'invention permet ainsi de fixer tout ou partie de ce nickel, par exemple pendant la durée de fonctionnement du réacteur, préférentiellement au moins 80 % de la quantité de nickel susceptible d'être rejetée. Une quantité de magnétite inférieure à celle permettant de fixer la totalité du nickel peut donc être envisagée.

Par ailleurs, une quantité de magnétite supérieure à celle permettant de fixer la totalité du nickel convient également, tant que la magnétite excédentaire n'ayant pas formé l'oxyde protecteur à l'issue du procédé de traitement de l'invention n'apparaît pas à l'opérateur comme générant une perturbation dans le fonctionnement du réacteur.

Afin de déterminer au préalable la quantité de magnétite à introduire dans l'eau du circuit primaire, notamment pour une durée de fonctionnement déterminée, on peut mesurer la teneur en nickel dans l'eau du circuit primaire sur la même période de fonctionnement, à l'aide par exemple d'une technique telle qu'un dosage chimique ou potentiométrique . De façon alternative, la valeur de la quantité de nickel susceptible d'être rejetée est calculée en comparant, à l'issue de la durée de fonctionnement du réacteur, la hauteur du pic de radioactivité observée lors de la mise à l'arrêt du réacteur avec le ratio du nickel correspondant au rapport entre la concentration de nickel et la radioactivité totale véhiculée par l'eau du circuit primaire. Les ratios par élément chimique sont des valeurs connues de l'homme de métier et déclarées par l'exploitant à l'autorité de sûreté nucléaire. Il est ainsi généralement admis que, pour le cobalt 58, la valeur pour l/ratio_Ni est d'environ 20 GBq par kg de Ni rejeté par tonne d'eau du circuit primaire (1/Gbq. t . kg ^-1 ) , lorsque la concentration de nickel est exprimée en kg par tonne d'eau du circuit primaire (kg.t ^-1 ) . Connaissant le ratio du nickel et mesurant la radioactivité totale de l'eau du circuit primaire lors de l'arrêt, il est possible d'estimer la concentration massique du nickel [Ni] ^ présente dans l'eau du circuit primaire par le calcul suivant : radioactivité_totale * ratio_Ni = [Ni] _kg .

Connaissant le volume d'eau du circuit primaire, on peut alors calculer la quantité totale de nickel qu'il faut fixer sur le générateur de vapeur à partir de la concentration molaire du nickel [Ni] _mo i par le calcul suivant :

[Ni] _mo i * volume du circuit primaire = quantité de Ni.

La durée de fonctionnement séparant deux mises à l'arrêt du réacteur est généralement de 12 mois à 24 mois, préférentiellement de 18 mois. Le tube de générateur de vapeur est quant à lui typiquement constitué d'un alliage comprenant au moins 60 % en poids de nickel (par exemple famille des alliages A600 et A690), préférentiellement de 60 % à 75 % : il s'agit par exemple d'un alliage de composition normalisée choisi parmi l'alliage A600 (norme 2.4642 (désignation chimique NiCr ₂ 9Fe) , norme UNS N06690) ou A690 (norme 2.4816 (désignation chimique NiCrl5Fe) , norme UNS N06600) .

Dans la présente description, les quantités de nickel ou de magnétite sont exprimées en nombre de moles, sauf indication contraire. Il résulte de ces paramètres que la quantité de nickel rejetée suite à la corrosion du tube générateur de vapeur est alors en général respectivement d'au moins 10 moles, préférentiellement de 20 moles à 50 moles.

La quantité en moles de magnétite introduite dans l'eau du circuit primaire est déterminée en considérant qu'elle correspond à au moins deux fois la quantité en moles de nickel susceptible d'être rejetée. Elle est ainsi en général respectivement d'au moins 20 moles (soit 4,6 kg de magnétite), préférentiellement de 40 moles (soit 9,2 kg de magnétite) à 100 moles (soit 23 kg de magnétite) .

Pour optimiser la formation d'un oxyde protecteur de structure spinelle, la quantité en moles de magnétite introduite dans l'eau du circuit primaire est préférentiellement de deux à trois fois la quantité en moles de nickel susceptible d'être rejetée, soit une masse de 8 kg à 12 kg de magnétite pour 1 kg de nickel.

Bien entendu, ces quantités de magnétite à introduire dans l'eau du circuit primaire peuvent varier en proportion du pourcentage de nickel susceptible d'être rejeté que l'on souhaite fixer.