RGN N° 5 Septembre-Octobre 2011 p. 45–52

Role of Chemistry in the Phenomena Occurring in Nuclear Power Plants Circuits

Rôle de la chimie dans les phénomènes survenant dans les circuits des centrales nucléaires

Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, CEA/DEN, (France)

Abstract

Reactor physics, thermal hydraulics or material sciences are mainly studied to understand phenomena occurring in nuclear power plants or to improve the performance of existing or future reactors: improvement of core performances, research of new materials (fuels, core, reactor pressure vessels, internal structures, …) and so on. Nevertheless, in the same way as these physical sciences, chemical sciences (solution chemistry, thermodynamics, kinetics, ...) can also contribute to these objectives.

Firstly, to improve availability, safety and lifetime of existing reactors, the best chemical conditioning has to be used in the different nuclear reactor circuits (primary, secondary, tertiary and auxiliary circuits). In that way, solution pH (B-Li coordinated chemistry), redox (value and chemical choice), water treatment, on-line chemical automates have, for example, to be optimized. Secondly, chemistry allows understanding phenomena occurring in the different reactors circuits. In the primary circuit, the understanding of the contamination by corrosion products (Fe, Ni, Cr, …), activation products (⁵⁸Co, ⁶⁰Co, …), fission products and actinides is a crucial issue for reactor operation and design. The main processes involved in the contamination transfer are dissolution/precipitation, erosion/deposition, convection, purification, neutron activation, radioactive decrease. Consequently, the chemistry knowledge has a role to play in the same way as other sciences (nuclear physics, material science, thermohydraulics, …). In the secondary circuit, formation of concentrated media, which can lead to the tube fouling and sometimes to the tube support plates blockage of steam generators, is of major concern. These phenomena have for consequences a loss of thermal performance and efficiency of SGs. Chemistry, in addition to thermal hydraulics, can help to explain them and consequently to their mitigation by, for example, optimization of the secondary side chemical conditioning (pH level, amine choice, …). In the tertiary circuit, scale, corrosion, deposits and microbial growth affect the plant performance and can be partially controlled by a “good” chemistry.

To understand the chemistry role or impact, an important R&D work is necessary. Indeed, only few data exist in the literature for the physico-chemical conditions met in a nuclear reactor. So these data have to be obtained either experimentally (solubility measurements, liquid-steam equilibrium study, solid solution interfacial flux measurements and so on) or by extrapolation (which implies the development or the use of theoretical models (for example, for temperature or ionic strength effects)). Then, chemical database have to be built and simulation codes (for example, to describe cold shutdowns or SGs tube fouling) have to be developed. These R&D studies are either home-made or realized in collaboration with many companies such as EDF, AREVA NP or GDF SUEZ.

The goal of this paper is to present the CEA methodology used for these R&D studies and few applications of chemistry to the understanding of some phenomena occurring in water-cooled nuclear reactors.

Résumé

La physique des réacteurs, la thermohydraulique ou la science des matériaux sont principalement étudiées pour comprendre les phénomènes ayant lieu dans les réacteurs nucléaires ou pour améliorer la performance des réacteurs existants ou futurs : amélioration de la performance du coeur, recherche de nouveaux matériaux (combustible, gaine, cuve, matériaux de structure, …), … Pourtant, au même titre que ces sciences physiques, la chimie, au sens large, (chimie en solution, thermodynamique, cinétique, …) permet également de répondre à ces objectifs.

Premièrement, pour améliorer la disponibilité, la sécurité et la durée de vie des centrales actuelles, le conditionnement chimique optimal doit être utilisé dans les différents circuits de la centrale (circuits primaire, secondaire, tertiaire et auxiliaire) pour minimiser les interactions fluide – matière. Pour cela, le pH de la solution (obtenu par ajout de base et/ou d’acide : acide borique/lithine, ammoniaque, morpholine, …), le redox (valeur et nature du réducteur utilisé : hydrogène, hydrazine), les procédés de traitement des eaux, les mesures en ligne doivent par exemple être optimisés. Deuxièmement, la chimie peut également nous aider à mieux comprendre certains phénomènes se produisant dans les différents circuits. Par exemple, la prédiction de la contamination du circuit primaire est un enjeu majeur pour l’exploitation des réacteurs. Cette contamination est produite par l’activation neutronique des produits de corrosion (Fe, Ni, Cr, …) conduisant à la formation de radio-isotopes (⁵⁸Co, ⁶⁰Co, ⁵¹Cr, ^110mAg, …) ou par la dissémination de produits de fission (Cs, I, Sr, Xe, …) ou d’actinides (U, Pu, Cm, …) lors d’une rupture partielle des barrières de confinement. Les principaux mécanismes impliqués dans ce transfert de contamination sont les phénomènes de dissolution/précipitation, d’érosion/ déposition, de convection, d’activation neutronique, de décroissance radioactive, … Parmi eux, certains phénomènes sont purement chimiques. Par conséquent, une bonne chimie du milieu ne peut que contribuer à minimiser le transfert de contamination. Dans le circuit secondaire, la formation de milieux concentrés (qui peut conduire à la corrosion localisée des tubes de GV, à l’encrassement ou au colmatage des générateurs de vapeur) est actuellement un problème majeur. Ces phénomènes (encrassement ou colmatage) entrainent une baisse des performances thermiques et de l’efficacité des GV. Comme pour le circuit primaire, la chimie, couplée à la thermohydraulique, peut nous aider à expliquer et à atténuer ces phénomènes (par exemple, par l’optimisation du pH ou du redox, …). Côté circuit tertiaire, l’entartrage, la corrosion, la formation de dépôts ou les développements microbiens peuvent affecter les performances de la centrale et peuvent, encore une fois, être, au moins partiellement, contrôlés par une “bonne” chimie. Enfin, la maitrise de la chimie sur une centrale nucléaire permet également de maitriser et de minimiser ses rejets vers l’environnement.

Pour comprendre le rôle ou l’impact de la chimie, un important travail de R&D est nécessaire. En effet, peu de données existent dans la littérature pour les conditions physicochimiques rencontrées dans un réacteur nucléaire (en particulier la haute température). Ces données doivent donc être obtenues, soit expérimentalement (mesure de solubilités, d’équilibres liquide-vapeur, de flux interfaciaux, …) ou par extrapolation (ce qui implique l’utilisation ou le développement de modèles théoriques, par exemple, pour tenir compte de l’influence de la température ou de la force ionique). Puis, des bases de données doivent être construites et des codes de simulation doivent être développés, par exemple, pour décrire les mises en arrêt à froid ou l’encrassement des GV. Toutes ces études de R&D, réalisées au CEA, sont soit sur fonds propres, soit en collaboration avec d’autres compagnies telles que EDF, AREVA NP ou GDF SUEZ.

L’objectif de cet article est de présenter la démarche déployée pour réaliser ces études de R&D au CEA, ainsi que quelques exemples d’utilisation de la chimie pour comprendre certains phénomènes se produisant dans les réacteurs nucléaires.