Utilisation des sels fondus au CEA REX et perspectives · Plan de l’exposé ... Modélisation LABVIEW. DEN DER Applications Nucléaires des Sels Fondus –25-26 mars 2009 18 Corrosion

Applications Nucléaires des Sels Fondus – 25-26 mars 2009DEN DER 1

Atelier GEDEPEONLes sels fondus et le nucléaire

25-26 mars 2009

Utilisation des sels fondus au CEAREX et perspectives

Guy WillermozDirection de l’Energie Nucléaire

Département d’Etudes des Ré[email protected]


Plan de l’exposé

Le REX Quelques focus des années 80 à nos jours

Panorama des études actuelles au CEA sur les RSF (collaboration CNRS)

Autres Perspectives


REX : Boucle TH MEGEVE Installation : Test GV démarrage N4 (~1980)

Chaudière 25 MWCircuit « primaire » en sel fondu dit solaire

• NaNO2 (45%), NaNO3(50%), KNO3(5%)


REX : Boucle MEGEVE

3 chaudières (au fuel)

Après 10 ans d’exploitation, l’échangeur Sel/Eau a étédémonté et nettoyé.

Il est utilisé maintenant pour l’installation FATHER


REX – Concept TASSE (CEA)Thorium-based accelerator-driven system with simplified fuel cycle for long-term energy production (années 90)

2 concepts : Thermique et Rapide.Pour le concept rapide :

Composition : 30ThF4 + 25NaF + 45PbF2 T° ~ 600°C.

Cœur sous critique couplé à un accélérateur

AMSB JAERI


REX – Concept AMSTER (EDF)Le concept AMSTER a été développé par EDF

Période 95-2000Objectif : transmutation des déchets

2 concepts BREEDER et BURNERCaractéristiques

Spectre thermique (Graphite)Circuit SEL/SEL/He61LiF—21BeF2-18(NL)F4

T° = (550°C) 600°C – 700°C

Thèse : D. Lecarpentier


REX : PyrochimieSels : Chlorures et FluoruresT° : 450 °C - 900 °C 3 principes de séparation

Marcoule / DRCP Cellule en milieu chlorureCellule en milieu fluorure

Distribution factor=f([AlF3])

Zr

-3

-2

-1

0

1

2

3

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

xAlF3Lo

gD

Ce

Sm

U

Nd

Np

Am

Pu

Procédé extraction réductrice dé-exctration oxydante




Autres Perspectives


Rappel – Description du MSFRCycle thorium

Cœur liquide

Retraitement sur site

(« multi-recyclage » des AM + élimination des PF)


Modélisation Neutronique

-6000-5000-4000-3000-2000-1000

01000200030004000

10,9 11,1 11,3 11,5 11,7 11,9 12,1 12,3 12,5

Enrichissement initial (%)

Réac

tivité

(pcm

)

1ère comparaison avec ERANOS (Thèse : X. Doligez – CNRS)

Résultats prometteursPoursuite : approfondissement écarts JEFF3.1 / ENDF-B6

ERANOS1968 groupes

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 1000 2000 3000 4000 5000

Temps (jepp)

Réa

ctiv

ité (p

cm)

ERANOS33 groupes

MCNP (ENDF-B6)


Modélisation systèmeEvaluation du rendement

COPERNIC/CYCLOP

Optimization of energy conversion system (CEA)

efficiency = 41,3%


Dimensionnement chaudièreEtat d’avancement

Etude réalisée (rapport en cours de rédaction)Difficulté rencontrée sur le dimensionnement de l’échangeur

Les études de design ne prennent pas encore en compte une approche de sûreté globale (respect du principe des 3 barrières). Une analyse innovante avec une revue en profondeur du référentiel de sûreté doit être menée et intégrée dans le design d'un MSR.


Etudes sûreté1ères études sureté avec CATHARE

Schematic of the MSBR

CATHARE modeling


Modélisation systèmeSimulation of ULOF (Unprotected Loss Of Flow) with CATHARE


Analyse thermodynamique du retraitement

Salt purification

Reactor

F2

H2 + HF

Fluorination

F2

Pa Decay

FluorinationF

UF

Reductant addition

LiSalt to waste(TRU+Zr)

UF6

H2

Bi

Fluoride Salt

Metal

Processed salt

Salt containing rare earths (6 l/h)

Li-Bi

Ext

ract

or 2 Th-Li-Bi

(72 l/h)

Ext

ract

or 3

Extra

ctor

5

Extra

ctor

4

Li-BiLiCl(150l/h)

Li-Bi+ LnF2

Li-Bi

Extra

ctor

1Pa+TRU+Zr extraction

Metal transfer process: rare earth

Hydrofluoration

UF6 reduction

Fluorination

Chloride salt

UF

Oxidiser 1

Li2O

Li-Bi+ LnF3

Oxidiser 2

Li2O

Vitrification

Fluoride Salt

Bullage

Traitement des PF


Simulationpar Fonctionsde transfert(EXCEL+VBA)

Données

Hypothèses

Don

nées

d’e

ntré

e Is

otop

es

Don

nées

réd

uite

s él

émen

ts

Regr

oupe

men

t en

fam

illes

chi

miq

ues

Données d’entrée Isotopes

Données réduites élém

ents

Regroupement en

familles chim

iques

Caractéristiquesflux sortants

•Activité• Puissance résidu.• Inv. radiotox.

Schémas

Traçabilité• Lacunes• Hypothèses• Fonct. Trans.

Evaluation quantitativedes flux

Analyse thermodynamique du retraitement


Couplage neutronique / retraitement

Pa233Xe et KrAs, Se, Nb, Mo, Te, Ru, Rh, Pd, AgGe, Cd, In, Sn, Sb , ZrSm, Eu, La, Ce, Nd, Pr, PmRb, Cs, Sr, BaBr, I

Pa233Xe et KrAs, Se, Nb, Mo, Te, Ru, Rh, Pd, AgGe, Cd, In, Sn, Sb , ZrSm, Eu, La, Ce, Nd, Pr, PmRb, Cs, Sr, BaBr, I

HF

Reactor

Saltpurification

UF6reduction

Fluoration

Hydro-fluoration Fluoration Pa radioactive

decay

UF6cristallisation

Reductantaddition

Pa radioactivedecay

Fluoration

Heliumbubbling

Noblemetals

Extraction

Extraction

Extraction

Extraction

Extraction

UF6

UF6

UF6 UF

6

H2

F2

F2

F2

HF

LiF,H2

Bi

Bi-Li

LiCl Bi-Li

Bi-Li

Bi-Li

Bi-Li

+divalent rare earth

+trivalent rare earth

Effluents

Li

Salt and rare earth

Treated salt

saltmetal

efficacités

efficacités efficacités

modélisationmodélisation

CESAR

Faisabilité faiteEtude poursuivie en 2009

Manque Erbium

Modélisation LABVIEW


Corrosion en sels fondusMatériaux métalliques de référence :

alliages à base nickel à relativement bas chrome renforcés en solution solide par la présence de molybdène, (Hastelloy N, HN80M ou MONICR)

3 thèmes :Attaque par le Tellure (2003-2006)

Etudes de la chimie et de la corrosion en fluorure• caractérisation des espèces du Cr en solution• essais CORSEF à électrode tournante

Test de nouveaux alliages à base tungstène

Base du dimensionnement du MSRE

alloy

surface


Etudes matériaux : CorrosionElectrochemical studies of structural materials corrosion

in a molten salt environmentElectrochemical studies of structural materials corrosion

in a molten salt environment

Tige Inconel

Gaine alumine

Echantillon

Graphite

Nitrure de bore

CORSEF installation (Saclay)

~15c

m

CEA/EDF/Toulouse Univ.


Modélisation bullage en Sels fondusModélisation CFD

DNS (TRIO_U)RANS diphasique (NEPTUNE)

Water test

Simulation TRIO_U

Maillage du séparateur (Neptune)




Autres Perspectives


Utilisation de sels fondus en circuit primaire

Spectre rapide

Capture trop importante conduisant à un effet de vidange positif


Utilisation de sels fondus en circuit primaireConcept PB-AHTRSel = FLiBe (7Li2BeF4)graphite + TRISO

Spectre thermique

Suivi dans le cadre de GIF(pas d’action spécifique CEA)


Utilisation de sels fondus en circuit secondaireCas du SFR

Objectif : éviter l’interaction sodium / eau

Sels /bases Tfusion et

température minimale

d’utilisation

Ebullition ou décomposition

Stabilité thermique

REX Corrosion Interaction avec l’environnement :

Na, H2O, air

nitrates NaNO3-KNO3 -+ + +++ NaNO3-KNO3-Ca(NO3)2 (Hitec XL)

++ - + NaNO3-LiNO3-KNO3 ++ -+ + NaNO3-KNO3-NaNO2 (Hitec) ++ - ++

Corrosion à des

vitesses acceptables jusqu’à 600°C.

A étudier dans nos

conditions

Réactions attendues.

A étudier pour déterminer les

produits de réaction, incidence sur procédé

et possibilité d’élimination

halogénures XCl-CuCl (X = Cs, Rb, K) le meilleur serait KCl-CuCl

++

++

Pas de REX en dans l’énergie

nucléaire

--

Forte corrosion à étudier

Acceptabilité / critères d’impuretés sodium nucléaire

à étudier

hydroxydes NaOH-KOH + ++ + Forte corrosion : à

étudier

--

Interaction Na-NaOH corrosion, à étudier

nitrates

chlorures

hydroxydes

Sels /bases

Tfusion et température

minimale d’utilisation

Ebullition ou décomposition

Stabilité thermique

REX Corrosion Interaction avec l’environnement :

Na, H2O, air

nitrates NaNO3-KNO3 -+ + +++ NaNO3-KNO3-Ca(NO3)2 (Hitec XL)

++ - + NaNO3-LiNO3-KNO3 ++ -+ + NaNO3-KNO3-NaNO2 (Hitec) ++ - ++

Corrosion à des

vitesses acceptables jusqu’à 600°C.

A étudier dans nos

conditions

Réactions attendues.

A étudier pour déterminer les

produits de réaction, incidence sur procédé

et possibilité d’élimination

halogénures XCl-CuCl (X = Cs, Rb, K) le meilleur serait KCl-CuCl

++

++

Pas de REX en dans l’énergie

nucléaire

--

Forte corrosion à étudier

Acceptabilité / critères d’impuretés sodium nucléaire

à étudier

hydroxydes NaOH-KOH + ++ + Forte corrosion : à

étudier

--

Interaction Na-NaOH corrosion, à étudier

nitrates

chlorures

hydroxydes

qualité moyenne des échanges, interaction sodium, expansion


Utilisation de chaleur nucléaire pour l’industrieAvantages certains des sels fondus

large gamme de fonctionnement et à haute températuretransporter la chaleur sur de longues distancesstocker la chaleur

Tf °CTfTeb

M kgkmol-1 Densitékmol.m-3à Tfroideà Tchaude

CpkJ.kmol-1K-1

Pouvoir calo. Vol.kJ.m-3K-1

λWm-1K-1

µPa.s

NaF-BeF2 3601400

43.83 47.442.27

95.795.7

4537.134046.1

11

6.97E-3

6.97E-3

Groupe

IHX

Groupe

XHMT

Helium VHTR

47 b.

870 °C

272.2 kg/s

46.74b.

446.5 °C

863.44°C

6.8 b.595.9 kg/s

XCPint

855°C, 6.97 b.

SO2: 1004mol/sSO3: 451.5 mol/s

H2O: 2951mol/s

H2SO4: 1.4mol/sO2:500 mol/s

766.85°C, 7. b

NaF-BeF2

7 b.

383°C

595.9 kg/s

5.32 b.

772.5°C

401.77°C, 5.83 b

401.72°C, 7.48 b

401.74°C, 7.5 b

XCPint

XCPint

XCPint

863.54 °C 6.9 b.

422.1°C, 7.25 b

401.7°C, 5.77 b 595.9 kg/s

Sel liquide

Groupe

IHX

Groupe

XHMT

Helium VHTR

47 b.

870 °C

272.2 kg/s

46.74b.

446.5 °C

863.44°C

6.8 b.595.9 kg/s

XCPint

855°C, 6.97 b.


H2O: 2951mol/s


766.85°C, 7. b

NaF-BeF2

7 b.

383°C

595.9 kg/s

5.32 b.

772.5°C

401.77°C, 5.83 b

401.72°C, 7.48 b

401.74°C, 7.5 b

XCPint

XCPint

XCPint

863.54 °C 6.9 b.

422.1°C, 7.25 b

401.7°C, 5.77 b 595.9 kg/s

Groupe

IHX

Groupe

XHMT

Helium VHTR

47 b.

870 °C

272.2 kg/s

46.74b.

446.5 °C

863.44°C

6.8 b.595.9 kg/s

XCPintXCPint

855°C, 6.97 b.


H2O: 2951mol/s


766.85°C, 7. b

NaF-BeF2

7 b.

383°C

595.9 kg/s

5.32 b.

772.5°C

401.77°C, 5.83 b

401.72°C, 7.48 b

401.74°C, 7.5 b

XCPintXCPint

XCPintXCPint

XCPintXCPint

863.54 °C 6.9 b.

422.1°C, 7.25 b

401.7°C, 5.77 b 595.9 kg/s

Sel liquide


Conclusions

le CEA réalise une action de veille technologique Centrée sur le MSFR proposé par le CNRS

• Thèmes :Modélisation neutroniqueModélisation systèmeRetraitementSels fondus

• Valorisation des compétences du CEA dans ces domainesAutres applications

• Orientées vers les applications industrielles

Collaborationsétroite avec le CNRSDes projets à l’international

• GIF• SUMO2 ?

Documents

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