Comportement du combustible dans les réacteurs à eau sous pression

1 - L'étanchéité du combustible en exploitation.

Le coeur d'un réacteur nucléaire comprend selon sa puissance entre 157 et 205 assemblages combustibles.

Chaque assemblage combustible, de section carrée de 20 cm de côté et d'une longueur d'environ 4 mètres, est constitué de 264 crayons (voir schéma en annexe 1).

Chacun des crayons d'un diamètre de 1 cm environ, est composé d'une gaine métallique à l'intérieur de laquelle se trouve un empilage de pastilles de combustible.

La surveillance de l'étanchéité des gaines du combustible chargé en réacteur est réalisée par des mesures régulières de la radioactivité présente dans l'eau du circuit primaire du réacteur. Les spécifications relatives à la nature de ces mesures et à leur périodicité sont fixées dans les règles d'exploitation du réacteur. Ces dernières précisent également la conduite à tenir en cas d'atteinte de la valeur limite associée à l'un des paramètres physiques. Ces dispositions prévoient notamment l'arrêt anticipé du réacteur en cas de présomption de défauts importants.

Au plan de la sûreté des réacteurs, la gaine du combustible constitue la première des trois barrières de confinement de la matière radioactive. Les études de conception visent à garantir une bonne tenue de la gaine pour les situations de fonctionnement normal et incidentelles.

L'intégrité des gaines minimise les problèmes de radioprotection des personnels affectés à la maintenance des réacteurs, lors des arrêts pour maintenance notamment. En revanche, la présence de défauts d'étanchéité de gaines du combustible pendant le cycle de fonctionnement du réacteur peut nécessiter la mise en place de mesures particulières portant sur la décontamination des matériels préalablement aux interventions et sur l'équipement des intervenants de manière à limiter les risques liés à une exposition aux rayonnements.

Enfin, l'étanchéité des gaines permet de limiter, en quantité et en nocivité, d'une part, les rejets radioactifs liquides et gazeux du réacteur, et, d'autre part, les déchets radioactifs issus du traitement de l'eau du circuit primaire et, plus largement, des matériels en contact avec le fluide primaire.

2 - Les paramètres contrôlés en exploitation et leur lien avec la nature des défauts suspectés.

Pour un réacteur en exploitation, les spécifications radiochimiques élaborées par l'exploitant et approuvées par l'ASN requièrent notamment la mesure des activités suivantes du circuit primaire :

• activité des gaz de fission (somme des gaz en Xénon et en Krypton)
• activité des composants iodés (équivalent iode131)
• activité en iode 134.

A chaque mesure est associée une valeur limite d'activité instantanée. Selon leur résultat, le réacteur peut soit continuer à fonctionner sans contrainte, soit être soumis à une surveillance renforcée pouvant conduire à l'interruption des variations de puissance, soit être arrêté.

Les mesures des activités en gaz permettent de détecter un défaut d'étanchéité d'au moins un crayon combustible. L'importance de l'activité en gaz mesurée dépendra cependant du nombre de crayons affectés, de leur taux de combustion (quantité d'énergie fournie par chaque crayon depuis son entrée dans le réacteur) et de leur emplacement dans le coeur. Le résultat de cette mesure dépend aussi du mode de fonctionnement du réacteur.

Les mesures d'activité des composants iodés, en équivalent en iode 131, permettent de confirmer la présence d'au moins un défaut d'étanchéité. Elles sont également utilisées pour estimer la taille du ou des défauts. Ces mesures sont également sensibles au taux de combustion atteint par le ou les crayons défectueux.

Enfin, les mesures d'activité en iode 134 permettent de noter l'existence d'un défaut d'étanchéité plus important conduisant à la dissémination d'une partie de la matière fissile dans le circuit primaire principal. Cette mesure permet de détecter une ou plusieurs ruptures de gaine sérieuses dans le coeur du réacteur. Le niveau d'activité en iode 134 dépend également des disséminations de matière fissile intervenues lors des cycles précédents.

Les principales limites d'activité instantanée spécifiées dans les règles générales d'exploitation des réacteurs sont les suivantes :

• Le fonctionnement du réacteur sans limitation est autorisé dans les conditions suivantes : activité en gaz rare < 150 GBq/t et activité en équivalent I131 < 4 GBq/t ;
• Le réacteur est mis sous surveillance accrue, son fonctionnement en suivi de réseau est interrompu si l'activité gaz rares est comprise entre 150 GBq/t et 500 GBq/t, ou si l'activité en équivalent iode 131 est comprise entre 4 GBq/t et 20 GBq/t ;
• Le réacteur doit être arrêté sous 48 h si l'activité gaz dépasse 500 GBq/t ou l'activité en équivalent I131 dépasse 20 GBq/t ;
• Le délai précité est abaissé à 8 h si l'activité gaz dépasse 1000 GBq/t ou l'activité en équivalent I131 dépasse 40 GBq/t.

Concernant l'évolution de l'activité en iode 134, les règles générales d'exploitation actuelles autorisent le fonctionnement du réacteur sans limitation tant que l'augmentation de l'activité en cours de cycle par rapport à l'activité mesurée en début de cycle reste inférieure à 5 GBq/t.

L'augmentation entre 5 et 10 GBq/t est tolérée sous réserve de l'interruption du fonctionnement du réacteur en suivi de réseau. Ce dernier est mis sous surveillance accrue.

L'arrêt du réacteur sous 48h est requis en cas d'augmentation supérieure à 10 GBq/t.

L'ASN a demandé à EDF de réviser ces règles d'exploitation pour les rendre plus sévères afin de prévenir des dégradations importantes du combustible.

3 - Les principales causes de perte d'étanchéité des crayons.

Le retour d'expérience de l'exploitation des réacteurs met en exergue 3 causes majeures.

La première concerne les anomalies de fabrication des crayons combustibles. Dans ce cas, la perte d'étanchéité apparaît en début d'irradiation. Elle peut être la conséquence d'un défaut dans l'alliage de la gaine du crayon ou d'une soudure défaillante entre la gaine du crayon et les bouchons inférieur et supérieur.

La deuxième cause se rapporte à la fabrication des grilles des assemblages combustibles. Plusieurs pertes d'étanchéité ont été détectées suite à l'usure de la gaine par vibrations au droit des ressorts qui la maintiennent dans les grilles inférieures de l'assemblage combustible. Ce type d'anomalie a été notamment rencontré sur plusieurs assemblages combustibles en 1994 et 1995. Les examens réalisés ont permis d'identifier la perte d'efficacité du contrôle de fabrication du maintien des crayons, due à l'usure des gabarits utilisés.

La troisième cause des pertes d'étanchéité est la présence de corps étrangers de faibles dimensions dans le coeur du réacteur. Ces derniers entraînent le percement de la gaine par érosion. Ils sont à l'origine de la plus grande partie des défaillances observées sur le parc. Tous les assemblages combustibles neufs actuellement chargés en réacteurs sont équipés de dispositif filtrant en partie basse (filtre anti-débris).

4 - Les taux de défaillances du combustible

Le taux de défaillances du combustible est égal au rapport entre le nombre d'assemblages combustibles comportant au moins un crayon inétanche apparu en fonctionnement et le nombre d'assemblages combustibles chargés en réacteur. Le tableau suivant montre l'évolution de ce taux de défaillances sur les réacteurs du parc en exploitation :

A titre indicatif, ceci correspond pour l'année 2000 à 6 assemblages reconnus inétanches sur les 44 réacteurs déchargés au cours de cette année.

5 - Les niveaux d'activité dans les réacteurs en exploitation

Les niveaux d'activité mesurée dans les réacteurs du parc en exploitation sont précisées dans les annexes 2 et 3. Ces documents présentent la situation à fin juin 2001 et sont issus du suivi réalisé par les services centraux d'EDF.

Ces graphiques révèlent la présence d'au moins un assemblage combustible comportant a minima un crayon combustible inétanche dans 6 réacteurs de 900 MWe sur les 34 du parc. Concernant les 20 réacteurs de 1300 MWe, l'augmentation du taux de défaillance du combustible observé en 2000 est confirmée. A ce jour, le coeur de 8 de ces réacteurs comporte au moins un crayon combustible inétanche. Sur les quatre réacteurs de 1450 MWe, un seul coeur comporte au moins un crayon inétanche. En revanche, aucun des défauts constatés sur les réacteurs en fonctionnement n'est considéré comme un défaut disséminant, susceptible de provoquer une pollution du circuit primaire par de la matière fissile.

La situation de Cattenom 3 est détaillée dans une note spécifique, disponible sur Internet à l'adresse

Lire la note d'information du 11 juin 2001 relative aux défauts du combustible du réacteur de Cattenom