La G@zette Nucléaire sur le Net! 
N°139/140
CONSEIL SUPÉRIEUR DE LA SÛRETÉ ET DE L'INFORMATION NUCLÉAIRES
Réunion du 2 juin 1994

Point sur l'utilisation du combustible MOX
(Recyclage du plutonium)
Dans les réacteurs à eau sous pression de 900 MWé
Voir notre dossier MOX

1. Les procédures réglementaires
     Les décrets d'autorisation de création de 16 réacteurs à eau sous pression de 900 MWe prévoient l'utilisation de combustible à oxydes mixtes d'uranium et de plutonium. Il s'agit de: Blayais 1 et 2, Dampierre 1 à 4, Gravelines 1 à 4, Saint-Laurent B 1 et 2, Tricastin  à 4.
     L'utilisation de combustible MOX est soumise à l'approbation des ministres chargés de l'environnement et de l'industrie, après avis du ministre chargé de la santé. Le directeur de la sûreté des installations nucléaires, par délégation des ministres chargés de l'environnement et de l'industrie, autorise la réception et le stockage provisoire dans l'INB concernée de chaque recharge MOX neuve, puis son introduction et son utilisation dans le réacteur concerné.
     A ce jour seulement 6 réacteurs sont autorisés à fonctionner avec du combustible MOX. Il s'agit de: Saint-Laurent B 1 (depuis 1987), Saint-Laurent B 2 (depuis 1988), Gravelines 3 (depuis 1989), Gravelines 4 (depuis 1990), Dampierre 1 (depuis 1990), Dampierre 2 (depuis 1993). Biayais 2 devrait l'être courant juin 1994.

2. Les contraintes techniques et le bilan d'utilisation
     Les assemblages MOX sont introduits dans le coeur du réacteur par lots d'au plus 16 assemblages, le coeur ne pouvant comporter que 48 assemblages MOX au maximum.
     La réception et le stockage du combustible MOX rendent nécessaires certaines modifications relatives aux engins de levage, au confinement des bâtiments, à la concentration bore de la piscine de stockage, ainsi qu'un renforcement de la protection contre les actes de malveillance et du suivi de la dosimétrie.
     Le fonctionnement des réacteurs avec du combustible MOX impose de modifier la concentration en bore de certains réservoirs et les circuits nécessaires au bon fonctionnement de l'injection de sécurité, de déporter quatre grappes de commande centrales en périphérie du coeur et d'en ajouter quatre autres en périphérie, et d'adapter certaines règles de pilotage du réacteur. De manière générale, depuis sa première utilisation en 1987, le combustible MOX n'a été à l'origine d'aucun incident notable.

3. Les perspectives à court terme
     Tous les réacteurs contenant du MOX fonctionnent "en base", à l'exception des réacteurs de Saint-Laurent B 1 et 2 qui sont exploités en "suivi de réseau" à titre expérimental depuis 1990. Electricité de France a demandé d'exploiter en suivi de réseau les autres réacteurs chargés en combustible MOX. Cette demande est en cours d'instruction par la DSIN et ses appuis techniques.
     Par ailleurs, Electricité de France a proposé à la DSIN d'exploiter les réacteurs chargés en combustible MOX selon une gestion "hybride": les assemblages MOX sont renouvelés par lots en nombre égal au tiers de la quantité contenue dans le coeur et les assemblages UO2 par lots en nombre égal au quart de la quantité contenue dans le coeur.

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Les modifications permettant de garantir des marges suffisantes dans les études de sûreté concernent principalement le système de protection du réacteur, la concentration en bore de certains réservoirs, les règles de pilotage du réacteur et certaines procédures incidentelles et accidentelles.
     A ce jour, la DSIN a autorisé l'exploitation de deux réacteurs en gestion hybride : Dampierre 2 (en 1993) et Gravelines (en 1994).
CSSIN
Réunion du 13 octobre 1994

Point sur les procédures relatives à l'utilisation
du combustible MOX

     Un point sur l'utilisation du combustible MOX dans les réacteurs à eau sous pression a été présenté lors de la précédente séance de Conseil, le 2 juin dernier. La présente note reprécise la procédure réglementaire à suivre préalablement à l'utilisation de ce type de combustible.
     Le combustible MOX ne peut être utilisé en réacteur qu'aux conditions suivantes:
     1) Le décret d'autorisation de création de l'installation doit prévoir explicitement l'utilisation de combustible MOX;
     2) La réception, le stockage, l'introduction d'une recharge MOX et le fonctionnement du réacteur ainsi chargé doivent être autorisés par les ministres chargé de l'environnement et de l'industrie, après avis du ministre chargé de la santé.

     A l'heure actuelle, seize réacteurs de 900 MW ont un décret d'autorisation prévoyant l'utilisation de combustible MOX (Blayais 1 et 2, Dampierre 1 à 4, Gravelines 1 à 4, St Laurent B1 et B2 et Tricastin 1 à 4).
     Parmi ceux-ci, seuls sept réacteurs fonctionnent effectivement en MOX (St Laurent B 1 et B2, Gravelines 3 et 4, Dampierre 1 et 2 et Blayais 2).
     L'utilisation de combustible MOX sur un nouveau réacteur nécessitera donc:
     - soit une autorisation ministérielle simple si le décret du réacteur concerné prévoit déjà cette possibilité;
     - soit une reprise du décret d'autorisation de création, puis une autorisation ministérielle si le décret d'autorisation de création ne prévoit pas cette possibilité. Dans ce cas, la reprise du décret d'autorisation nécessitera notamment la réalisation d'une enquête publique menée sur la base d'un dossier établi conformément au décret du 11 décembre 1963 modifié.
     A l'heure actuelle, EDF envisage:
     - de demander l'extension progressive de l'utilisation de MOX aux seize réacteurs ayant un décret adapté (à titre indicatif, sept en 1994, neuf en 1996, quatorze en 1997 et seize en 1998);
     - de préparer des dossiers nécessaires à la reprise des décrets d'autorisation des réacteurs de 900 MWe le nécessitant. Les réacteurs de Chinon B pourraient être les premiers à faire l'objet de cette demande.

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EDF - PRODUCTION TRANSPORT - mai 1994

Recyclage du plutonium dans les centrales REP d'EDF
Retour d'expérience - Perspectives


     Dès le début de l'utilisation industrielle de l'énergie nucléaire en France, le cycle du combustible a été conçu pour être fermé c'est-à-dire pour intégrer le retraitement du combustible et son recyclage.
     L'utilisation de combustible mixte "MOX" (plutonium, uranium) permet d'optimiser l'utilisation des ressources en évitant un gaspillage injustifié et de n'avoir à stocker définitivement que les déchets non recyclables.
     EDF, partie prenante dans le processus du retraitement, ayant conduit à fermer depuis 1987 le cycle du combustible, considère aujourd'hui au vu du retour d'expérience déjà acquis (20 années réacteurs d'exploitation du combustible MOX réparties sur 6 réacteurs) qu'il est justifié, pour des raisons de stratégie industrielle et économique de poursuivre dans cette voie.

1. Les Raisons du Recyclage
     Représentant aujourd'hui les 3/4 de la production d'électricité, le nucléaire continuera pour de nombreuses années d'être en France la principale source d'électricité. Il est donc sage, même si nous sommes actuellement dans une situation d'abondance de ressources en uranium d'avoir une politique d'utilisation rationnelle de ces ressources permettant de disposer des moyens de faire face à une éventuelle pénurie dans les années à venir. Les renversements de situation sur le marché des matières énergétiques nous ont appris a être prudent d'autant que les détails de mise en exploitation de gisements nouveaux sont importants.
     Dans une telle perspective il est indispensable que l'industrie nucléaire maintienne actives toutes les technologies actuellement existantes. Ainsi le retraitement et recyclage du Plutonium apporteront des renseignements et une expérience indispensables à la maîtrise de l'énergie pour les décennies à venir.
     Par ailleurs, le retraitement et l'utilisation dans les réacteurs des combustibles MOX contribuent à la réduction de l'inventaire total en plutonium dont la croissance, en cycle ouvert, est strictement proportionnelle à l'énergie produite.
     Dans le monde, d'autres pays mettent également en oeuvre
une politique de recyclage du plutonium dans leurs réacteurs
REP. C'est le cas de l'Allemagne (depuis 1973), de la Suisse
(depuis 1978) et très bientôt de la Belgique (1995) et du Japon
(1995).

suite:
     Actuellement 10 tranches allemandes, 2 suisses et 2 belges sont autorisées à utiliser du combustible MOX. En Suisse et en Allemagne, des demandes d'autorisation supplémentaires ont été déposées dont deux viennent d'être accordées en Allemagne.
Le Japon quant à lui, prévoit de disposer de 9 tranches avec du combustible MOX d'ici l'an 2000.
     L'ensemble des coûts constatés sur les investissements déjà réalisés pour des installations en fonctionnement ou en cours de mise en service confirment que le recyclage sous forme de combustible MOX ne remet pas en cause la compétitivité du kWh nucléaire par rapport au kWh d'origine fossile.

2. La situation actuelle
     Les décrets d'autorisation de création (DAC) des 16 premiers réacteurs 900 MWé CP1 et CP2[1] prévoient l'utilisation de MOX, après autorisation par les Ministres concernés (Industrie, Environnement et Santé). L'autorisation comporte trois gestes administratifs concernant:
     - la réception et le stockage provisoire à l'intérieur du périmètre de l'INB,
     - le chargement puis la divergence,
     - le fonctionnement en suivi de réseau (autorisé actuellement uniquement pour les 2 tranches de St-Laurent B l/B2).
     Par ailleurs, il est demandé à chaque campagne d'irradiation un bilan trimestriel à adresser à la DSIN et au SCPRI comportant, entre autres, les observations faites sur la production des effluents et les niveaux d'activité des émetteurs dans le fluide primaire.
     La première introduction de combustible MOX a eu lieu sur le réacteur ST-Laurent B 1 en 1987. Aujourd'hui 6 réacteurs (ST-Laurent B 1/2, Gravelines 3/4 et Dampierre 1/2) utilisent du combustible MOX. Un septième réacteur, Blayais 2 vient d'être rechargé en MOX lors de son arrêt 1994.
     Le nombre d'assemblages MOX dans le coeur est de 48 soit 3 recharges de 16 assemblages, ce qui correspond à un taux de recyclage de 30%. Le reste du chargement est réalisé avec des assemblages UO2 3,25% qui séjournent également 3 cycles en réacteur. Ce mode de gestion est appliqué sur 5 réacteurs. Dampierre 2 est lui géré en mode dit hybride préfigurant le futur mode de gestion que sera appliqué à partir de 1994-1995 aux autres tranches MOX.

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     Dans cette gestion hybride le combustible UO2 3,7% reste dans le réacteur pendant 4 cycles et le combustible MOX pendant 3 cycles. Cette gestion permet une meilleure utilisation de l'UO2.
     L'assemblage MOX composé d'un mélange UO2, PuO2 contient environ 5% de plutonium (25 kg) dit plutonium de première génération car issu du retraitement d'éléments combustibles REP UO2 irradié. En fin de vie en réacteur, un assemblage MOX contient un peu moins de 20 kg de plutonium dit de deuxième génération. Une recbarge MOX permet donc de consommer 80kg de plutonium pour un réacteur 900 MWé.
     Le processus permet donc d'une part de consommer du plutonium et d'autre part de le concentrer dans un nombre réduit d'assemblages puisque un assemblage REP UO2 irradié fin de vie ne contient que 5 kg de plutonium environ.
     Globalement la production nette de plutonium d'un réacteur chargé en MOX (gestion 1/3 de coeur) est de 80 kg alors que pour un réacteur chargé uniquement en UO2 elle est de 120kg.
     La structure de l'assemblage MOX est en tout identique àcelle de l'assemblage UO2 Fragema avancé (AFA). Le combustible MOX conçu par Fragema est actuellement fabriqué pour partie dans l'usine de Dessel en Belgique et pour partie à Cadarache. L'usine MELOX située à Marcoule est en cours de mise en service. Sa production devrait progressivement atteindre 120 tonnes de combustible par an.
     Le recyclage est monorecyclage: le plutonium de 2e génération contenu dans le combustible MOX irradié ne fait pas l'objet d'un deuxième recyclage.
     Les capacités industrielles de recyclage du Pu dans les REP étant limitées par la capacité des usines de fabrication, EDF a adopté, pour le retraitement REP, une politique d'égalité des flux (c'est-à-dire l'adéquation du flux de retraitement aux flux de valorisation des matières fissiles récupérées). Cette politique qui permet de ne pas accumuler de stock de plutonium se justifie tant par des raisons économiques que par des raisons techniques: le plutonium séparé issu des REP se charge en américium ce qui complique les opérations ultérieures de fabrication, notamment sous l'angle de la radioprotection. Cette politique conduit à ne pas retraiter immédiatement la totalité des combustibles irradiés, le solde étant entreposé provisoirement sous eau en piscines.
     EDF se doit alors de privilégier le retraitement des éléments combustibles qui en permettent la meilleure valorisation.
     Les éléments REP-MOX irradiés étant plus riches en Pu que les éléments REP-UO2, il pourrait paraltre attractif de les retraiter préférentiellement. Néanmoins, si le retraitement de ces éléments REP-MOX est techniquement possible (et cela a déjà été réalisé à titre de démonstration à la Hague), le plutonium de deuxième génération issu de ce retraitement est riche en isotopes pairs qui le rendent moins intéressant à utiliser dans les REP que le plutonium de première génération. Par ailleurs, la matrice MOX étant de l'uranium appauvri, l'uranium de retraitement qui en est issu n'a pas d'intérêt énergétique dans les REP. Le Plutonium de 2e génération et l'uranium de retraitement associé sont, par contre, facilement valorisables dans les réacteurs rapides.
     Enfin, à flux égal de Pu recyclé, le retraitement REP - UO2 permet de limiter de manière encore plus significative le nombre d'assemblages à entreposer (facteur 4 environ entre les retraitements REP - UO2 et REP - MOX).
     Aussi, le monorecyclage sera-t-il durablement privilégié par rapport au multirecyclage.

3. Le bilan d'exploitation du combustible MOX
     Ce bilan porte sur 20 années réacteur d'exploitation correspondant à 320 assemblages MOX chargés dont 144 ont été déchargé après 3 cycles d'irradiation.

Les mouvements du combustible
     Les délais d'approvisionnement du combustible MOX sont plus tendus que pour l'UO2 du fait que pour des raisons de protection physique il n'est pas prévu de stockage au Magasin Inter Régional (MIR). L'expérience montre que les conséquences sur la composition des recharges sont acceptables. Cependant un nombre de réacteurs pouvant utiliser du MOX, supérieur à ce qui serait strictement nécessaire pour écouler la production paraît souhaitable.
     La manutention ne pose pas de problème particulier moyennant la mise en place d'un poste d'examen spécialement dédié au MOX.

suite:
     Après utilisation en réacteur, le combustible MOX nécessite un temps de refroidissement plus long (2,5 ans au lieu d'1 an pour le combustible UO2 irradié) en piscine avant évacuation. Cette contrainte doit être prise en compte pour gérer les capacités de stockage des piscines.

Le comportement de l'assemblage
     Le taux d'irradiation actuellement atteint par les assemblages est de 38 GWJ/t en moyenne et 40 GWJ/t au maximum.
     Les spécifications techniques sur l'activité du réfrigérant primaire et les critères de rechargement sont identiques à ceux appliqués aux assemblages UO2.
     Le relâchement des gaz de fission à l'intérieur du crayon semble plus important que pour l'UO2 mais la pression interne reste à l'intérieur du critère du fait des caractéristiques physiques de la pastille MOX, pour les taux d'irradiation actuels.
     Sur 320 assemblages MOX chargés jusqu'à présent un seul a présenté un défaut d'étanchéité de faible importance (20 mm) inférieur au critère. Cet assemblage a été rechargé et fait l'objet d'un suivi particulier qui révèle un comportement identique à celui des défauts sur les crayons UO2.
     Il est à noter que rien n'a permis de déceler avant déchargement qu'il s'agissait d'un défaut affectant un élément MOX.
     Le comportement de l'assemblage sous l'aspect mécanique n'est donc pas différente de celui de l'UO2.

L'exploitation des tranches
     La moindre efficacité des absorbants (barres de contrôle, bore soluble) due à la modification du spectre d'énergie est compensée par des modifications peu nombreuses et de faible ampleur, les principales étant le rajout de 4 grappes de contrôles supplémentaires dont les traversées sur les couvercles de cuve etaient prévues depuis l'origine, et une légère augmentation de la concentration en bore des réservoirs.
     Les plans de rechargement sont réalisés sans difficultés particulières pour tenir compte des recommandations liées au combustible MOX en raison des caractères physiques du plutonium.
     Le fonctionnement en suivi de réseau autorisé à titre expérimental sur les réacteurs de ST-Laurent B, ne pose pas de problème technique, le combustible MOX se comportant aussi bien que le combustible UO2 au vu des résultats actuels des rampes de puissance effectuées en boucles d'essais.
     Le pilotage en suivi de réseau de ST-Laurent B n'a pas fait apparaître de difficulté pour les opérateurs. Des effets favorables de diminution du volume des effluents liquides ont été observés dans ce cadre, dû à l'influence plus faible du xénon: réduction d'environ 30 % du volume d'effluents produits lors des baisses de charges types.
     Par ailleurs aucune contamination alpha n'a été relevée sur les tranches MOX y compris sur la tranche ayant eu un défaut d'étanchéité combustible identifié.
     L'amélioration des méthodes et des outils de calcul de suivi des coeurs ont permis d'atteindre une bonne cohérence entre les calculs prévisionnels et les mesures effectuées lors des essais de redémarrage et de suivi en exploitation.

4. Perspectives
     Au vu des résultats très satisfaisants issus du retour d'expérience des tranches fonctionnant actuellement avec du combustible MOX, EDF poursuit le développement de la politique de recyclage fondée sur le principe de l'égalité des flux (adéquation du flux de retraitement au flux de valorisation des matières fissiles récupérées).
     Le nombre de tranches concernées découle de la capacité de production de l'usine MELOX (environ 120 tonnes par an) et de la nécessité de disposer d'une marge en terme de recyclage par rapport à cette capacité; il est de l'ordre de 22 tranches 900
MWé CP1/CP2.
     En conséquence, EDF:
     1) d'une part, prépare l'utilisation progressive de combustible MOX pour les 16 tranches CP1/CP2 mentionnées au § 2 (à titre indicatif: 7 tranches en 1994, 9 en 1996, 14 en 1997 et 16 en 1998),
     2) d'autre part, prépare le passage à l'utilisation de combustible MOX sur des tranches supplémentaires CP1/CP2 dont les premières pourraient être celles de Chinon B sous réserve des autorisations nécessaires.
     Par ailleurs un programme d'étude et de recherche est mené en parallèle pour améliorer l'utilisation du produit MOX.

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[1] Il s'agit des tranches de Tricastin, Gravelines 1 à 4, Dampierre, Blayais 1/2 et ST-Laurent des Eaux; pour les autres réacteurs 900 MW Cp1 et CP2 cette autorisation n'est pas mentionnée dans les DAC bien que sur le plan technique rien ne les différencie des 16 premiers.
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