Comptes Rendus
Surgénérateurs ; l'état des matériaux aux hautes irradiations, hautes puissances locales et températures, leurs gradients et propriétés mécaniques adaptées aux contraintes qui en résultent
[Fast breeder reactors: The state of materials subjected to high energy radiation, high local pressure and temperature, gradients and their mechanical properties adapted to the resultant constraints]
Comptes Rendus. Mécanique, Volume 338 (2010) no. 12, pp. 649-655.

The motivations to realize nuclear breeder reactors are developed in the present context of a strong growth in electronuclear power stations in many countries, using mostly moderated and water cooled reactors.

The past studies can be of a substantial profit in France and, to a lesser degree, in other countries of the EU. However, to use fully the 238 uranium isotope, the materials for these breeders must withstand much harder radiation than those for water reactors. The power densities and thermal gradients will also be much more intense. The mechanical stresses, both static and dynamic, will be large and will act on materials with altered mechanical properties. Fuel elements will have to be produced with materials already irradiated several times and therefore showing such alterations.

A field of studies concerning materials and their mechanical behavior in new and severe conditions is sketched here, both in construction and working conditions, together with proposed necessary instrumentation and research orientations.

Les motivations de réalisations de réacteurs nucléaires surgénérateurs sont détaillées dans le contexte actuel d'un développement considérable de centrales électronucléaires dans beaucoup de pays, utilisant pour la plupart des réacteurs modérés et refroidis avec de l'eau.

Les études effectuées bénéficient en France et, à un moindre degré, dans le reste de l'Union Européenne, d'un passé substantiel. Toutefois, les matériaux de ces réacteurs surgénérateurs doivent, pour utiliser complètement l'isotope 238 de l'uranium, être soumis à des rayonnements bien plus sévères que ceux des réacteurs à eau. Les conditions de densité de puissance seront aussi beaucoup plus importantes ainsi que les gradients thermiques. Les contraintes mécaniques, tant statiques que dynamiques, seront donc plus élevées et agiront sur des matériaux aux propriétés mécaniques altérées. Il faudra fabriquer les éléments combustibles avec des matériaux déjà irradiés plusieurs fois et donc ayant ces propriétés. Un champ d'études alliant matériaux et comportement mécanique dans des conditions nouvelles et plus sévères, tant en fonctionnement que pour les fabrications, est dessiné avec les appareillages adéquats et les orientations de recherches nécessaires.

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DOI: 10.1016/j.crme.2010.10.011
Mot clés : Réacteurs nucléaires surgénérateurs, Centrales nucléaires, Uranium, Matériaux irradiés
Keywords: Fast breeder reactors, Nuclear power plants, Uranium, Irradiated materials

Robert Dautray 1; Jacques Friedel 1

1 Académie des sciences, 23, quai de Conti, 75270 Paris cedex 06, France
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Robert Dautray; Jacques Friedel. Surgénérateurs ; l'état des matériaux aux hautes irradiations, hautes puissances locales et températures, leurs gradients et propriétés mécaniques adaptées aux contraintes qui en résultent. Comptes Rendus. Mécanique, Volume 338 (2010) no. 12, pp. 649-655. doi : 10.1016/j.crme.2010.10.011. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/mecanique/articles/10.1016/j.crme.2010.10.011/

[1] R. Dautray, L'énergie nucléaire civile dans le cadre temporel des changements climatiques, Document 17, rapport à l'Académie des sciences, éditions TEC et DOC Lavoisier, décembre 2001, p. 216.

[2] R. Dautray, Les isotopes du plutonium et leurs descendants dans le nucléaire civil, rapport à l'Académie des sciences, éditions TEC et DOC Lavoisier, mai 2005.

[3] Energy technology perspectives, in: Scenarios and Strategies to 2050, International Energy Agency, 2010, pp. 134–139.

[4] R. Dautray, Sécurité et utilisation hostile du nucléaire civil, rapport à l'Académie des sciences, éditions TEC et DOC Lavoisier, juin 2007, p. 216.

[5] D.J.-C. Mackay Sustainable Energy Without the Hot Air, UIT Cambridge, England, 2009 (p. 102)

[6] Quel niveau de sûreté pour les nouveaux réacteurs nucléaires? La lettre de l'autorité de sûreté nucléaire, no 14 sept./octobre 2010, p. 1, http://www.asn.fr.

[7] Reactor physics constants, fig. 1-6, Reactor physics constants, ANL-5800, Argonne National Laboratory, p. 12.

[8] Robert Dautray; Jacques Friedel Energy: towards nuclear breeder installations before the end of this century?, C. R. Mécanique, Volume 335 (2007), pp. 61-74

[9] The Nuclear Fuel of Pressurized Water Reactors and Fast Reactors. Design and Behaviour (H. Bailly; D. Ménessier; C. Prunier, eds.), CEA, Editions TEC & DOC, 1999

[10] Journal of Nuclear Materials (Rudy Konings, Head of the Material Research Unit, au ITU, is appointed Editor).

[11] Alternative nuclear fuel cycles, review article, ITU report, 2007, pp. 10–15.

[12] Gary Was Design of Radiation-Tolerant Alloys for Generation IV, University of Michigan, August 2010

[13] Gary Was Developing and Evaluating Candidate Materials for Generation IV, University of Michigan, August 2010

[14] Systèmes nucléaires du futur, Génération IV, CLEFS no. 55, CEA, été 2007.

[15] Steve Zinkle, Materials challenges in nuclear energy systems, Oak Ridge National Laboratory, Version 2010 (“Gen-IV” high temperature gas-cooled reactors, “Gen-IV” Na-cooled fast. Close the nuclear fuel cycle by “burning” transuranic isotopes and fission product wastes from LWR reactors).

[16] S.J. Zinkle; J.T. Busby Mater. Today, 12 (2009), p. 12

[17] Y. Guérin; G.S. Was; S.J. Zinkle Materials challenges for advanced nuclear energy systems, MRS Bulletin, Volume 34 (2009) no. 1, pp. 10-19

[18] D. Petti; D. Crawford; N. Chauvin Fuels for advanced nuclear energy systems, MRS Bulletin, Volume 1 (2009), pp. 40-45

[19] Fundamentals of Radiation Materials Science (Gary Was, ed.), Springer, 2007

Cited by Sources:

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