Criticità (nucleare)

Nel campo dell'ingegneria nucleare , la criticità è una disciplina per valutare e prevenire il rischio di reazioni a catena di fissione nucleare incontrollata. È una sotto-disciplina della neutronica .

Si parla di incidente critico , le cui potenziali conseguenze sono l' irradiazione significativa degli operatori e, in misura minore, le emissioni radioattive nell'ambiente. Questo rischio esiste quando il materiale fissile viene utilizzato in quantità significative negli impianti del ciclo del combustibile nucleare o negli imballaggi per il trasporto.

La grandezza che permette di quantificare questo rischio è il fattore moltiplicativo effettivo k eff  : minore, uguale o maggiore di 1 a seconda che il sistema considerato sia rispettivamente subcritico, critico o ipercritico.

In Francia , una regola di sicurezza fondamentale (RFS 1.3.c) è stata stabilita dall'Autorità per la sicurezza nucleare (ASN) specificamente per il rischio di criticità.

Fattori che influenzano il bilancio dei neutroni e k eff

Il k eff è il rapporto tra il numero totale di neutroni prodotti in un dato mezzo fissile durante un intervallo di tempo, e il numero totale di neutroni persi per assorbimento e per dispersione durante lo stesso intervallo di tempo, a parità di tutte le altre condizioni (neutroni prodotti da fonti le cui intensità non dipendono dal processo di reazione a catena non sono considerate in questo rapporto ):

Se k eff <1 (produzione di neutroni <assorbimento + perdite), la configurazione è subcritica.

La reattività di un'installazione dipende quindi da diversi fattori:

Modalità di controllo della criticità

A seconda delle installazioni, ci sono diversi modi per limitare la reattività, queste sono le modalità di controllo:

Queste modalità di controllo possono essere combinate e si prendono i margini in relazione alle condizioni critiche: queste sono le condizioni ammissibili.

Diverse modalità di controllo possono essere adottate per la situazione normale e le situazioni accidentali:

Esempio:

Terreno fissile di riferimento

I limiti delle modalità di controllo sono fissati per un mezzo fissile di riferimento, tenendo conto dell'ambiente riflettente e delle interazioni. Il mezzo fissile di riferimento è quello che, tra tutti quelli che si possono incontrare nell'assieme in questione, in condizioni di funzionamento normali e anormali, porta ai limiti più bassi per il suo contenuto di materia fissile, la sua composizione e la sua legge di diluizione.

Criteri di ammissibilità

In Francia, i regolamenti non fissano un criterio di ammissibilità per k eff . Tuttavia, i criteri (tenendo conto delle incertezze e degli errori di calcolo) generalmente considerati per il ciclo del combustibile sono i seguenti:

Possono essere utilizzati fattori di sicurezza standard (da applicare alla dimensione critica):

Sicurezza da criticità nel ciclo del carburante

Nelle fabbriche che trattano uranio e plutonio in varie forme fisico-chimiche, l'obiettivo è di avere un k eff <1 (sottocriticità). Ciò consente di evitare un incidente critico , come quello dell'impianto di ritrattamento di Tokaimura in Giappone.

A monte del ciclo, prima della fase di arricchimento dell'uranio, il rischio di criticità è piuttosto basso. RFS 1.3.c specifica “  Sono escluse dalle disposizioni previste da questa norma gli impianti o parti di impianti in cui viene utilizzato solo uranio con un contenuto di isotopo 235 inferiore o uguale all'1%, poiché questo uranio non è in forma di reti di barre disposte in grafite o in acqua normale o arricchite in acqua pesante. Impianti o parti di impianti in cui sono esclusi solo gli elementi combustibili a base di uranio con un contenuto di isotopo 235 pari o inferiore all'1%, a condizione che questi elementi non siano stati irradiati in reattori a neutroni veloci o che non siano sottoposti a trattamento chimico che potrebbe portare a una variazione nelle proporzioni degli isotopi fissili presenti.  "

D'altra parte, dopo la fase di arricchimento, l'uranio diventa più reattivo (che è l'obiettivo dell'arricchimento) e quindi il rischio di criticità è maggiore.

I combustibili irradiati sono generalmente meno reattivi dei nuovi combustibili (l'aspetto del plutonio è meno importante della scomparsa dell'uranio 235).

In Francia, la prevenzione del rischio di criticità è studiata da un angolo deterministico, come specificato in RFS 1.3.c:

Esempio 1  : nell'impianto di ritrattamento di La Hague , la fase di dissoluzione del combustibile esaurito viene eseguita in un dissolutore a ruota a tazze: questa geometria un po 'esotica garantisce sempre una sottocriticità. Le azioni sono automatizzate anche per motivi di protezione dalle radiazioni. Anche i serbatoi anulari (geometria favorevole) vengono utilizzati per lo stoccaggio del plutonio.

Esempio 2  : a Melox , dove viene prodotto il combustibile MOX (composto da plutonio e uranio naturale), le azioni sono nuovamente automatizzate. Il rischio di un terremoto è preso in considerazione a livello dei "cassetti" di stoccaggio delle barre di combustibile: infatti, in caso di terremoto, le barre possono avvicinarsi: i neutroni emessi da una barra possono quindi colpire l'uranio (o plutonio).) del secondo, che equivale ad acquisire una certa reattività.

L' Istituto per la protezione dalle radiazioni e la sicurezza nucleare (IRSN) fornisce supporto tecnico per le decisioni prese dall'ASN. Il servizio responsabile di questi studi è il Criticality Expertise, Studies and Research Service (SEC).

Infine, va notato che, in generale, il rischio di criticità è maggiore nella manipolazione di liquidi rispetto ai solidi.

Caso del trasporto di materie fissili

Il trasporto include le operazioni di movimentazione di materiale radioattivo e le condizioni associate: dimensionamento degli imballaggi, stoccaggio in transito, instradamento, scarico, ecc. I flussi di trasporto sono:

Questi trasporti possono essere effettuati su strada, mare, ferrovia, aria.

Le normative in vigore sono quelle definite dalle regole dell'Agenzia Internazionale dell'Energia Atomica (IAEA), denominate TS-R-1 e TS-G-1.1. Lei chiede:

Appunti

  1. rischio criticità - Fondamentale 1.3.c regola di sicurezza REF sul sito ASN
  2. Uso di centrifughe dimensionate per garantire la non criticità per geometria per arricchire l'uranio come parte del processo di ultracentrifugazione o installazione di serbatoi anulari (anelli fissili) invece di serbatoi pieni, ad esempio per la lavorazione del plutonio chimico (COGEMA la Hague) garantendo la sicurezza del
  3. Un moderatore è un materiale i cui nuclei (nuclei moderatori) riducono l'energia cinetica dei neutroni che li incontrano. Questo rallentamento dei neutroni è ottenuto da shock elastici o anelastici su questi nuclei.

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