Une piscine de stockage du combustible usagé (en anglais SFP pour Spent fuel pools) est un bassin d'entreposage provisoire de combustible nucléaire irradié ou destiné au rechargement d’un réacteur à l’arrêt.
Après avoir servi dans le réacteur d’une centrale nucléaire ou dans un réacteur d’étude ou de recherche, réacteur expérimental ou de sous-marin nucléaire, le « combustible nucléaire usagé » (originellement constitué d'uranium plus ou moins enrichi ou d'un mélange d’uranium et de plutonium dit « MOX ») est encore radioactif et dégage de la chaleur (on parle de « puissance résiduelle ») ; il est alors retiré du réacteur et stocké provisoirement dans la piscine de stockage avant envoi pour retraitement et stockage final.
La chaleur résiduelle que les éléments combustibles émettent après l'arrêt du réacteur doit être évacuée, ce qui implique que la piscine d’entreposage du combustible usé doit être refroidie en permanence.
Du combustible neuf est également provisoirement stocké dans ces piscines en attente de sa mise en place dans le réacteur.
La piscine de stockage peut être séparée en plusieurs bassins par mise en place de cloisons amovibles.
Fonctions
Une piscine de stockage d’assemblages de combustible nucléaire a trois fonctions principales : recevoir l’ensemble des assemblages combustibles retirés du cœur du réacteur pendant les arrêts pour rechargement (dans les réacteurs à eau pressurisée, un quart à un tiers du contenu en combustible doit être retiré tous les 12 à 18 mois et remplacé par du combustible neuf) ; entreposer des assemblages usés, en attendant une décroissance suffisante de la puissance résiduelle dégagée, puis envoi de ces assemblages vers une usine de traitement. En effet, à leur sortie du cœur du réacteur, les barres de combustible usé génèrent une chaleur suffisamment élevée pour faire fondre les assemblages si on ne les refroidissait pas, et elles émettent des radiations dangereuses dont il faut se protéger. Le transfert des éléments combustibles du réacteur à la piscine se fait sous eau, à l’aide de systèmes de manutention automatisés et contrôlés à distance, ou avec des systèmes plus « manuels » sécurisés. Les éléments combustibles sortis du réacteur sont entreposés dans l’eau de la piscine de stockage durant plusieurs mois jusqu’à ce que la chaleur dégagée permette leur transfert vers l’usine de retraitement afin de les recycler ou de les stocker définitivement sous forme de déchet radioactif. La puissance dégagée par les éléments combustibles décroît de manière exponentielle (baisse significative dans les 2 à 4 premières années, puis dans une moindre mesure dans les 4 à 6 ans qui suivent, etc.)Entreposage du combustible nucléaire usé : concepts et enjeux de sûreté - Rapport IRSN n°2018-00003, assemblee-nationale, juin 2018.. recevoir et entreposer les assemblages neufs avant utilisationRetour sur la 1ère livraison de combustible à l’EPR de Flamanville, edf, 30 octobre 2020..
Une telle piscine sert aussi à stocker provisoirement : des crayons défectueux ou ayant perdu leur étanchéité Réacteur 3 Nombreux défauts d'étanchéités d'assemblages combustibles , Avis d’incident (Centrale nucléaire de Cattenom), 2001-03-18. ; des matériaux radioactifs ; des objets particuliers radioactifs.
Dans une piscine de désactivation l'eau joue plusieurs rôles L’aval du cycle du combustible nucléaire, synatom, consulté le 25 avril 2021: celui de fluide caloporteur permettant, via un (voire deux) échangeur(s) thermique(s) de constamment refroidir le combustible usagé ou neuf ; celui d’écran liquide contre les rayonnements, de manière à protéger le personnel. L’acide borique contenu dans l’eau absorbe les neutrons émis par les assemblages, empêchant un éventuel redémarrage d’une réaction nucléaireAbsorbeurs de neutrons, laradioactivite, consulté le 25 avril 2021..
Remarque : Certaines entreprises d’ionisation industrielle utilisant des sources hautement radioactives (par exemple du cobalt 60 pour désinfecter par irradiation (ionisation) du matériel médical) doivent également stocker leurs « sources » dans leurs propres piscine tout le temps où elles ne sont pas utilisées, dans un espace protégéIRSN, Page intitulée Rappel concernant les ionisateurs industriels, consultée le 17 avril 2011..
Caractéristiques techniques
Ces piscines sont étanches et construites selon des normes antisismiques.
Le fond des piscines est équipé de racks (ou râteliers ou alvéoles) de stockage de 4,3 mètres de hauteur qui servent au stockage des assemblages de combustible neufs ou retirés du réacteur, tout en les disposant de manière à empêcher une situation de criticité via une réaction nucléaire en chaîne qui se produirait si les crayons (ou aiguilles) de combustible étaient stockés les uns contre les autres. Ils supportent une charge très importante (l’uranium est encore plus lourd que le plomb) et en cas de séisme important, s’ils ne sont pas amortis, . C’est pourquoi, ces râteliers sont équipés de ASN, Anomalie affectant les râteliers de stockage du combustible usé des centrales EDF, Avis d’incident, 14 septembre 2001..
Une hauteur d’eau minimale de 2,4 m à 3 m Selon le bulletin de l'AIEA, Vol 10 n° 1.0 est nécessaire au-dessus du combustible pour absorber le rayonnement. Ces piscines ont environ 12 m de profondeur pour un réacteur REP de 900Mw et plus de 20 m pour un réacteur REP de 1300Mw (22,15 m par exemple pour la centrale nucléaire de Golfech) afin d’assurer une protection radiologique des travailleurs lors des manipulations de combustible et de constituer une réserve d’eau importante pour le refroidissement du combustible. Une piscine peut contenir de 300 à 600 assemblages de combustible suivant le type de réacteur.
La qualité de l'eau est étroitement contrôlée pour éviter que le combustible ou sa gaine ne se dégradent sous l’effet de la corrosion.
La température est contrôlée et toutes ces piscines sont dotées d’un système de réfrigération de l’eau. Ce système nécessite une alimentation électrique (pour le fonctionnement des pompes), sécurisé par un ou plusieurs systèmes de secours (des groupes électrogènes qui prennent automatiquement le relais en cas de problème).
Dans les centrales françaises, le système de refroidissement d’une piscine de stockage de combustible est doublé (constitué de deux voies incluant chacune une pompe et un échangeur thermique). .
Selon les pays ou les cas, les assemblages de combustible sont refroidis de trois à six ans en piscine près du réacteur puis encore conservés sous l'eau durant dix à vingt ans avant d'être envoyés en retraitement, en stockage en fûts, ou stockage à sec.
Réfrigération
L'eau de la piscine de stockage de combustible est borée, filtrée et refroidie en permanence, en circuit fermé, pour évacuer la chaleur émise par les assemblages de combustible (des pompes électriques font circuler l'eau de la piscine de combustible irradié dans un système d’échangeurs thermiques avant de la réintroduire, refroidie dans la piscine de désactivation).
En conditions normales de fonctionnement la température de l’eau ne doit jamais monter au-dessus d’un seuil fixé par les spécifications techniques d'exploitation, par exemple sous 45 °C pour la centrale nucléaire de Gravelines ou 50 °C pour d’autres types de centrales Fort Calhoun Nuclear Station, Présentation, consulté le 16 mars 2011..
Dérogation aux prescriptions de fonctionnement Comme pour toute prescription, des dérogations, voire des « dérogations génériques » peuvent être accordées sous conditions, par l’autorité de sûreté nucléaire nationale (l’ASN en France). Par exemple le stockage, dans une piscine de désactivation de « bâtiment combustible », de , est autorisé par l’ASN française, mais une des conditions requises est d’augmenter la puissance de réfrigération en pré-disposant en parallèle les deux échangeurs de refroidissement de la piscine de désactivationRéacteur 3 Non-respect d'une condition d'une dérogation générique relative au refroidissement de la piscine de désactivation du bâtiment combustible ; Avis d'incident ; Paris, le 3 mars 2003..
Contrôle de l’atmosphère du bâtiment Le scénario d’une radiolyse importante de l’eau en condition humide, c'est-à-dire de sa dissociation en hydrogène et oxygène par les effets combinés de la haute température et des rayonnements ionisants (α, β, γ) avec de l'eau., avec éventuel effet catalytique de métaux contenus dans les gaines de combustibles est redouté, car cette production d’hydrogène est susceptible de conduire à une explosion.
Pour cette raison, l'air des bâtiments contenant les piscines de stockage doit être constamment surveillé et éventuellement traité en cas de présence d’hydrogène (ventilation, injection d’azote comme lors de l’accident nucléaire de Fukushima, etc.).
Localisation
Dans les réacteurs à eau bouillante (REB), ces « piscines » sont construites de manière que leur ouverture soit située à côté et à la même hauteur que celle de l'ouverture supérieure de la cuve du réacteur (couvercle ôté), dans le bâtiment-même, de manière à minimiser le temps de transfert du combustible du réacteur à la piscine au moyen d’une « navette » ou d’un tube.
Dans les centrales REP françaises, un bâtiment combustible accolé au bâtiment réacteur abrite la piscine de désactivation. Celle-ci est connectée à la piscine du bâtiment réacteur par un tube de transfert qui est fermé en marche normale et ouvert lors des opérations de chargement/déchargement du réacteur. Lorsqu’il est ouvert, les niveaux des deux piscines sont équilibrés.
La « piscine de stockage du combustible ou de désactivation » située dans le bâtiment combustiblelexique asn : piscine, asn, consulté le 10 mai 2021, ne doit pas être confondue avec la « piscine du réacteur » située dans le bâtiment réacteurLexique asn : piscine du réacteur, asn, consulté le 10 mai 2021..
Dans les complexes importants ou dans les pays ne disposant pas de grands centres de retraitement du combustible, une piscine secondaire peut être construite à proximité pour un entreposage secondaire quand le combustible est devenu un peu moins radioactif et sensible, avant transfert vers une filière d'élimination de déchets ou de retraitement et élimination (La Hague ou Sellafield en Europe) qui retraiteront et reconditionneront une partie des déchets.
Surveillance et sécurité
Lors des études préalables à la construction d’une centrale, le concepteur doit correctement dimensionner la piscine (avec une marge de sécurité)Intégrer les garanties dans la conception des installations d’entreposage de combustible usé, iaea, 16 juillet 2019., en fonction du volume, de la masse et de la nature et composition des objets qu’elle devra contenir (i.e. teneur en matière fissible, température, intégrité, etc.), des risques externes (séismes, inondations, etc.) et internes (incendie, inondation, etc.).
En France, l’exploitant doit déclarer dans un « rapport de sûreté » le(s) type(s) de combustible(s) prévu(s) ou autorisé(s) pour chaque piscineASN, Rapport d’incident (piscine P 2 du parc d'entreposage des déchets radioactifs (INB 56) du centre d'études du CEA à Cadarache)..
Une fois la piscine en service, l’exploitant doit veiller : au refroidissement suffisant du contenu de la piscine. En France, quand un réacteur est à l’arrêt pour maintenance (ou en cas de perte des sources électriques du réseau national), un groupe électrogène (diesel) de secours (lui-même doublé par sécurité) assure automatiquement l’alimentation des équipements indispensables au refroidissement de la piscine où est stocké le combustible. Deux voies d'alimentation électrique sont prévues, chacune secourue par un groupe électrogène en cas de problème, l’une des deux devant toujours rester disponibleASN, Réacteur n° 2 Perte de deux groupes électrogènes de secours, Avis d’incident, 8 mars 2004..