RGN N° 5 Septembre-Octobre 2011 p. 28–38

Etude de la faisabilité de l’analyse de sûreté du couplage d’un Réacteur à Haute Température avec un procédé industriel

Feasibility Study for the Safety Assessment of a High Temperature Reactor Coupled with an Industrial Process

¹ IRSN, Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (France)
² GRS mbH, Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (Germany)
³ TRACTEBEL-Engineering S.A. (Belgium)
⁴ TÜV NORD EnSys Hannover GmbH & Co. KG (Germany)
⁵ FZJ, Forschungszentrum Jülich (Germany)
⁶ NRC, Nuclear Regulatory Commission (USA)
⁷ VNS, Vinçotte Nuclear Safety (Belgium)

Résumé

Dans le cadre du projet européen EUROPAIRS (7^ème Programme cadre – EURATOME), on a étudié la faisabilité du couplage d’un réacteur nucléaire à haute température à caloporteur hélium (High Temperature Reactor - HTR) avec un procédé industriel. Mener à bien cette action a exigé la collaboration de partenaires tels que des sociétés d’ingénierie de l’industrie nucléaire et non nucléaire, des opérateurs de complexes industriels, des producteurs d’énergie et des organismes d’appui technique des Autorités de sûreté (TSO). Pour leur part, ces derniers ont eu pour mission d’identifier les points clés pour l’évaluation de la sûreté du système couplé. Cet article décrit, du point de vue des TSO, les principes et les critères d’acceptabilité de la démonstration de sûreté relative à un système couplé.

Parmi les principes considérés par les TSO comme étant favorables à la certification d’un système couplé, on a retenu la séparation physique entre les installations nucléaires et non nucléaires, relevant chacune d’un type d’examen réglementaire et d’Autorités distinctes, ainsi que la différenciation des exploitants. L’installation industrielle serait alors vue comme un “client” de la centrale nucléaire qui lui fournirait chaleur et électricité, ce qui correspond actuellement au schéma de fourniture d’énergie sur la plupart des sites industriels intégrés. Un second principe concerne les travailleurs du site industriel qui ne devraient pas être soumis aux procédures de protection et de contrôle de l’exposition radiologique.

Deux cas tests ont été sélectionnés parmi les divers exemples d’applications industrielles étudiées dans le projet EUROPAIRS. Le premier cas test a pour objet la cogénération de vapeur et d’électricité au profit d’un complexe chimique (le site Chemelot aux Pays-Bas) ; le second concerne une unité de production d’hydrogène utilisant l’électrolyse à haute température de la vapeur d’eau (EHT). Ces applications sont supposées réalisables respectivement à court terme (environ 10 ans) et à moyen terme (15 ou 20 ans).

En Europe, la directive SEVESO II précise le cadre de l’évaluation de sûreté des installations industrielles présentant un niveau de risque important. Ainsi, suivant cette approche pour les cas tests, on a listé et examiné les risques industriels pouvant avoir un impact sur la sûreté de la centrale nucléaire couplée. Ces risques peuvent être classés dans les catégories correspondant aux agressions internes et externes telles que décrites dans le rapport de sûreté de la centrale nucléaire.

Concernant les critères de sûreté pour le système couplé, on a examiné les définitions possibles de la distance de sécurité entre la centrale nucléaire et le site industriel qui resteraient compatibles avec les contraintes techniques du couplage. D’autres critères spécifiques sont les limites acceptables pour les fréquences d’occurrence des événements anormaux induits par les installations industrielles.

Concernant les risques induits par le réacteur, les objectifs sévères de conception du système HTR en termes de limitation de l’impact radiologique, même en cas d’accident grave, sont un élément favorable pour la faisabilité du système couplé.

L’étude conduite dans le cadre du projet EUROPAIRS a identifié un certains nombre d’éléments favorables à la faisabilité de la démonstration de sûreté du système couplé ainsi que des critères d’acceptabilité.

Abstract

ln the frame of the European Coordination and Support action EUROPAIRS (7^th Framework Programme EURATOM), the feasibility of coupling an industrial process and a High Temperature Reactor (HTR) has been studied. It has entailed collaboration between the necessary partners of such a challenge: designers from the nuclear and non nuclear industry, owners of industrial complexes, end-users and technical support organizations (TSO). These latter partners have tried to identify key points for the safety assessment of the coupIed system. The paper will describe the proposed specific safety criteria and acceptance criteria relevant for the coupIed system.

The first part of the study deals with the selection of two examples among the various industrial applications explored within EUROPAIRS. One layout corresponds to steam and electricity production for a chemical complex, the other describes the coupling with a hydrogen production plant based on high temperature electrolysis (HTE). These examples illustrate respectively near-term and mid-term potential applications for co-generation of heat and electricity. Modular architectures are envisaged to fit the needed power range and to increase the flexibility of the system (adaptability to the variations in the energy demand).

ln Europe, a mandatory safety assessment based on risks analysis is required for industrial sites which fall within the SEVESO II directive. So, following this approach, the industrial risks related to the nuclear plant safety assessment have been listed for both test cases. From the reactor side, these risks can be classified within the external hazards and internal events categories and should be integrated then to the reactor safety demonstration as accident scenarios with their associated probability. It has been noticed that there was a lack of a common standard approach for the assessment of the process induced external hazards. However, it seems feasible to integrate the results of the industrial risk analysis into the reactor safety demonstration. The main principle has been to establish a safety distance between the nuclear plant and the industrial site being compatible with the coupling. Other safety criteria are the limits for the occurrence frequencies of the abnormal events potentially induced by the process plant. A difficulty also appears concerning the risk of missile damages for which no evaluation methodology has been defined yet.

As regards the risks induced by the reactor, the main requirement would be to demonstrate that the benefits for society brought by the coupIed system are balancing the risks. Nevertheless, the nuclear risks, should anyway be limited because of the stringent HTR’s design objectives in terms of environmental impact. Availability of the plant, measures to limit the tritium contamination of the circuits and emergency planning coherence have been identified as key points for the assessment feasibility.

Finally, although the safety approach should not be impacted in its principles by the coupling, several key points for the safety assessment feasibility have been pointed out and relevant criteria are proposed.