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Message par BONNERUE Daniel le Mer 9 Jan 2008 - 22:02

Bilan neutronique d'un REP

On suppose que le seul matériau fissile est 235U. Les nombres indiqués sont des ordres de grandeur. 100 fissions d'uranium 235 libèrent en moyenne 250 neutrons, qui donnent lieu aux réactions suivantes :

  • 100 neutrons provoquent 100 nouvelles fissions, entretenant ainsi la réaction en chaîne, et consommant 100 noyaux du matériau fissile ;
  • 70 neutrons subissent des captures fertiles par 70 noyaux du matériau fertile 238U, les transformant en autant de noyaux fissiles de 239Pu ;
  • 75 neutrons subissent des captures stériles, soit par des noyaux fissiles (30 neutrons) soit par des noyaux du réfrigérant, des structures du cœur, des éléments de contrôle ou des produits de fission ;
  • 5 neutrons fuient hors du cœur (pour être capturés par des protections neutroniques).



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Message par BONNERUE Daniel le Mer 9 Jan 2008 - 23:02

J'espère, chers camarades, ne pas avoir été trop "indigeste" dans cette description. Il est vrai que les réactions nucléaires ne sont pas des phénomèmes très simples à décrire, c'est pourquoi je me suis efforcé de glisser au sein des textes quelques gif animés pour les rendre plus compréhensibles.

Bien qu'ayant travaillé un peu plus de trois décennies dans le milieu nucléaire, mais non pas auprès des réacteurs comme beaucoup d'anciens marins, j'ai surtout "fréquenté" les physiciens spécialisés dans l'études des particules élémentaires. Il m'a donc été nécessaire de me documenter, en consultant presque essentiellement les publications du Commissariat à l'Énergie Atomique, mais aussi celles de la Marine Nationale, de laquelle nous sommes à peu près tous issus.

Pour ceux d'entre-nous qui voudraient s'informer plus avant dans ce domaine, il leur sera toujours possible d'utiliser des expressions figurant dans cet exposé comme "mots clés" pour effectuer des recherches sur la Toile.

Je crois savoir que le circuit primaire des Réacteurs à Eau Pressurisée fonctionne à une température d'environ 300° C et à une pression se situant à un peu moins de 150 bars. Cependant, je sollicite les copains sous-mariniers "nucléaires" pour connaître la pression de fonctionnement (le timbre) du circuit secondaire, donc des installations de propulsion à vapeur.


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Message par Tinto le Mer 9 Jan 2008 - 23:20

DANIEL,
Bravo pour ce dossier trés complet et trés intéressant, qui prouve ta grande maitrise en nucléaire.Avec toi je viens de refaire mon recyclage RP1.CC... :study: En ce moment j'ai pas mal de boulot sur MELOX, et c'est plus calme sur MARCOULE...La semaine prochaine, je vais sur PHENIX où il y a des petits pépins ( son arrêt est prévu pour 2009 normalement ).Ici la région vit avec son environnement nucléaire depuis un 1/2 siècle.
J'espère que beaucoup auront eu une bonne approche du " nuc " qui est encore mal connu du grand public.
Amicalement.



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Message par ROUX Michel le Jeu 10 Jan 2008 - 7:54

Ben mon vieux, moi qui croyais que les "zébulons" sortaient des pastilles des brûleurs et qu'on allumait avec une torche !!!
Non, blague à part, je ne faisais que soupçonner tout ce que vous expliquez, c'est très instructif et c'est là que l'on voit le degré de haute qualification des spécialités de la Marine Nationale.
Cependant je persiste à croire que l'énergie atomique n'est que transitoire et que déjà pointent à l'horizon de nouvelles énergies plus propres, la vulgarisation de ces nouvelles énergies, beaucoup d'entre nous ne la connaîtrons pas et moi qui ne suis pourtant pas trop accroc à la vie le regrette beaucoup.
Merci à tous de ces infos très instructives.

MR
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Message par andrem le Jeu 10 Jan 2008 - 8:30

Merci Daniel d'avoir répondu à mes questions sur les valeurs des pressions et de températures.

Pour ce qui est du système de pilotage du réacteur, comment compte-t-on le nombre de particules pour réguler et maintenir K(moy) = 1 ?

Quelqu'un peut-il me dire ce qu'il existe comme mesure de sauvegarde en cas de départ en divergence du réacteur au cas ou le système de pilotage des barres vienne à être HS ?
Joël Chandelier
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Message par Joël Chandelier le Jeu 10 Jan 2008 - 11:22

Peut être une injection en masse de Bore mais je pense que la sécurité sur ce type de réacteur doit être des plus "poussée" et donc avoir d'autres Sécurités de Sécurité. Je ne connais pas ce domaine et j'espére que notre Ami Jean pourra nous en dire plus. Bonne question andrem.



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Message par BONNERUE Daniel le Jeu 10 Jan 2008 - 15:45

Pour Joël CHANDELIER :

Mon cher Joël, tu évoquais la production d'énergie par fusion de deux noyaux légers, mais effectivement, ce n'est pas encore demain la veille de faire fonctionner en continu un réacteur de fusion. Dans le meilleur des cas, ça sera dans une trentaine d'année. C'est justement l'ambition du projet "ITER" qui va être construit à Cadarache. Seul pour le moment le Soleil (dans notre proche environnement, car il existe bien d'autres étoiles) fonctionne parfaitement depuis des milliards d'années et pour un bon moment encore. Le premier problème qui se pose sur Terre, c'est la masse du plasma (à 200 Millions de degrés) que nous sommes capable de produire pour espérer entretenir la réaction de fusion. D'ailleurs un des avantages de cette utilisation de l'énergie nucléaire, c'est que la réaction de fusion est très difficile à entretenir et ne risque donc pas de s'emballer, comme ce fut le cas pour la fission à Tchernobyl.

Comme tu étais EMSEC, tu as étudié ces phénomènes physiques. Tu m'as dit avoir bien aimé mon introduction à la fission, je vais donc de montrer celle que j'ai faite pour la fusion :

Description de la réaction de fusion de deux noyaux légers...

La propulsion nucléaire des navires... - Page 2 Schmafusionaw5

...avec le "traditionnel" gif animé

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Message par Joël Chandelier le Jeu 10 Jan 2008 - 16:02

Merci Jean celà me raméne quelques années en arriére lors de mes cours de Physique Nucléaire (hier en 1965)
Manque dans l'animation le phénoméne qui donne de l'énergie a ses 2 noyaux dits "légers" pour qu'ils puissent "fusionner".
Mais tu l'expliques trés bien en donnant le soleil en exemple ou la T° est telle qu'elle permet le fusionnement.
Peut être pourras tu faire un "amalgame" (si je peux m'exprimer ainsi) entre fission et fusion qui sont utilsées (et qui j'espére ne le seront jamais plus) pour l'arme Atomique dite "Thermonucléaire" dans laquelle c'est l'énergie de fission qui déclenche la fusion.
Mais là je m'éloigne du sujet sur la propulsion nucléaire de nos navires :oops: :oops:



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Message par BONNERUE Daniel le Jeu 10 Jan 2008 - 16:22

Tout d'abord mon cher Joël, je te rappelle que je me prénomme DANIEL...

Pour répondre à ta question et montrer qu'il m'aurait été difficile de faire apparaître la raison du fusionnement sur les dessins, à la température à laquelle la fusion (sur Terre) est susceptible de se produire (entre 100 et 200 millions de degrés), la matière est à l'état de plasma. Il s'agit d'un état particulier de la matière, en fait le quatrième, dans lequel les atomes ou molécules forment un gaz ionisé.

Un ou plusieurs électrons du nuage électronique qui entoure chaque noyau ont été arrachés (en fait, les noyaux sont "épluchés" de leurs électrons), laissant des ions positivement chargés et des électrons libres, l'ensemble étant électriquement chargé et donc sensible aux champs magnétiques, ce qui permet de le confiner. Il faut rappeler que les atomes "normaux" sont neutres et ne peuvent donc être confinés puisque insensibles aux champs magnétiques.

Dans un plasma thermique, la grande agitation des ions et des électrons produit de nombreuses collisions entre les particules. Pour que ces collisions soient suffisamment violentes et entraînent une fusion, trois grandeurs interviennent :

  1. la température T ;
  2. la densité N ;
  3. le temps de confinement τ.

Le critère de Lawson établit que le facteur doit atteindre un certain seuil pour obtenir le breakeven où l'énergie libérée par la fusion est égale à l'énergie dépensée. L'ignition se produit ensuite à un stade beaucoup plus élevé de production d'énergie (impossible à créer aujourd'hui dans les réacteurs actuels). Il s'agit du seuil à partir duquel la réaction est capable de s'auto-entretenir. Pour la réaction deutérium + tritium, ce seuil est de 1014 s/cm³.

J'avais déjà abordé ce sujet dans "les histoires de BONNERUE", ainsi que les divers types de bombes nucléaires (bombes A pour "atomique") et thermonucléaires (bombes H pour "hydrogène")...


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Message par Joël Chandelier le Jeu 10 Jan 2008 - 16:32

C'est tout simplement inadmissible de ma part (Jean) Daniel excuse moi je t'ai confondu avec Jean Veillon entre 2 posts
:oops: :oops: :oops: :oops: :oops: :oops: :oops: :oops: :oops: :oops: :oops: :oops: :oops: :oops: :oops: :oops: :oops: :oops: :oops: :oops: :oops: :oops:



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Message par BONNERUE Daniel le Jeu 10 Jan 2008 - 21:34

Pour en revenir aux questions posées par ANDREM, c'est expliqué plus haut. Il n'y a pas de dispositif de comptage des neutrons pour un fonctionnement "critique" (K=1), puisqu'on connait bien les ordre de grandeur à la suite d'expériences ayant donné lieu à des mesures reproductibles. La régulation des flux neutroniques se fait par l'intermédiaire des "grappe" d'éléments modérateurs. En cas de nécessité, on peut injecter de l'acide borique dans le circuit primaire. L'eau du circuit, déjà modératrice car composée de noyaux légers (hydrogène et oxygène), dopée en plus avec du bore, ce métalloïde absorbeur de neutrons, doit empêcher la réaction de fission de s'emballer en devenant "sur-critique" (K>1).

Bien que tout ait été calculé avec de larges coefficients de sécurité, mais comme celle-ci n'atteint jamais 100 % (n'est-ce pas Joël ?), on ne peut jamais être certain qu'un gros pépin est impossible.


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Message par BONNERUE Daniel le Ven 11 Jan 2008 - 16:32

Voici quelques informations (parfois "indigestes") pour répondre à la soif de connaissances de notre ami ANDREM.

1 ) • Tout d'abord quelques valeurs de pressions et de températures à l'intérieur du circuit primaire des REP dans les centrales nucléaires électrogènes :

Réacteurs à eau ordinaire sous pression (REP ou PWR : Pressurised Water Reactor.) : utilisés à l'origine aux
Etats-Unis comme moteur de sous-marins, ce sont les plus utilisés dans le monde (fin 2005, 214 réacteurs de ce type développent une puissance de 205 398 MWe nets). En France, ils ont été développés, à partir de 1969, sous licence Westinghouse (États-Unis).

Le combustible est de l'oxyde d'uranium enrichi à 3 %, l'eau sous pression (155 bars, dans le cas des REP de 900 MW d'EDF) est située dans un premier circuit qui transmet la chaleur du combustible (porté à
2 300°C) à un deuxième circuit d'eau fournissant la vapeur alimentant les turbines. L'eau du circuit primaire (dont la température varie entre 280 et 323°C) transmet sa chaleur dans des échangeurs qui génèrent la vapeur du circuit secondaire. Chaque échangeur-générateur contient 3 300 tubes d'une longueur totale de 70 km. Le débit de l'eau primaire est de 13 245 kg/s.

Nota 1 : Il serait peut-être possible d'en déduire le timbre du circuit secondaire, si je me réfère à celui des escorteurs rapides qui était de 35 bars et de 385 ° C de température de surchauffe...


2) • Le fonctionnement des barres (grappes) modératrices de neutrons :

Absorption du rayonnement neutronique par la matière. (attention : dur à digérer)

Dans le cas des neutrons l'absorption est mesurée par ce qu'on appelle la section efficace d'absorption qui est exprimée en barns (1 barn = 10-24 cm2). Cette section représente une sorte de surface de capture. Pour l'élément i du tableau périodique cette surface est notée si cette section efficace d'absorption est reliée au coefficient d'absorption massique par la relation :

(m/r)i = si No/ Ai où No est le nombre d'Avogadro et Ai est la masse de l'élément i

L'absorption est due à trois critères :

-la diffusion cohérente

- la diffusion incohérente élastique ou la diffusion inélastique,

- la vraie absorption.

s(section efficace d'absorption totale) = scoh +sinc + sabs

scoh = section efficace de diffusion = 4pb2 (où b est la longueur de diffusion)

sinc = section efficace de diffusion incohérente

sabs = section efficace d'absorption réelle.

L'absorption des neutrons due à la diffusion incohérente est due principalement à la diffusion incohérente du spin des neutrons par les spins des atomes des échantillons et par le désordre du au fait que les atomes des échantillons sont un mélange d'isotopes. Par exemple, du fait de la diffusion incohérente du spin du neutron par l'hydrogène 1H, la section efficace d'absorption (35 barns ) est plus grande que la section efficace de diffusion cohérente (1.76 barns) pour une longueur d'onde de 1Å. Pour éviter la diffusion incohérente des atomes d'hydrogène qui donne du bruit de fond les échantillons peuvent être deutérés, les atomes d'hydrogène étant remplacés par le deutérium 2H.


L'absorption réelle (s abs) des neutrons (similaire à la fluorescence pour les rayons X) est principalement due à une capture du neutron par un atome de l'échantillon.

Par exemple le cadmium capture un neutron pour donner un isotope avec émission de
rayons g selon la réaction suivante: 113Cd + n - - - > 114Cd + rayons g


Pour quelques éléments tels que Bore (B), Cadmium (Cd), Gadolinium (Gd), ... l'absorption est importante aux longueurs d'onde usuelles car un noyau résonnant se forme. D'un isotope à l'autre la section efficace d'absorption peut varier de plusieurs ordres de grandeur: par exemple s = 0.25 barn pour 162Dy (Dysprosium
162) et 306 barns pour 164Dysprosium (Dysprosium 164).

Nota 2 : dans les formules lire m (mu), r (rho), s (sigma), p (pi), g (gamma)


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Message par † Hatoup le Ven 11 Jan 2008 - 17:28

Cette confusion n'est pas grave Joël puisque sur ce sujet, nous avons tous des atomes crochus lol!
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Message par Joël Chandelier le Ven 11 Jan 2008 - 17:31

Pour moi Daniel j'ai bien "digéré" la notion de section efficace
Peut être pour être moins technique pourait on donner l'image suivante. Au cours d'e l'émission de neutrons ceux ci seront plus particuliérement "capturés" par des matiéres dite "avides" de neutrons comme le Bore(isotope 10) à la masse atomique légére (5 si mes souvenirs sont bons).
Pour être simple (mais sans être simplet lol! ) les neutrons (image de l'eau) sont absorbés par le Bore(image de l'éponge) puisque tout le monde sait qu'une éponge absorbe l'eau.
Pour la notion de section efficace la c'est plus complexe pour trouver une analogie il faut donc s'en tenir a tes excellentes explications (mais indigeste pour les non initié) Daniel. Encore qu'on pourait donner l'image d'un but plus le but est grand(surface) plus un ballon shooté a des chances de rentrer dans le but. Il y a des isotopes aux "buts" tres grands lol!



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Message par BONNERUE Daniel le Ven 11 Jan 2008 - 17:32

Une information complémentaire concernant le "timbre" du circuit secondaire de production de vapeur.
C'est celui des centrales nucléaires électrogènes, mais qui doit être à peu près le même que celui des installations de propulsion navale.
Je ne pensais pas que la pression de vapeur était aussi élevée :

Dans une installation nucléaire de type REP, le générateur de vapeur (GV) est un échangeur thermique entre l'eau du circuit primaire portée à haute température (320°C) et à une pression élevée (155 bar) dans le cœur du réacteur, et l'eau du circuit secondaire (70 bars) qui se transforme en vapeur et alimente la turbine.
Il comporte environ 3.300 tubes en forme de U renversé, maintenus par des structures internes parmi lesquelles des plaques entretoises.
Le nouveau générateur de vapeur, conçu par Framatome pour la centrale de Chooz, offre une plus grande surface d’échange, malgré une dimension plus modeste.
De plus, les tubes d’échange sont réalisés en
inconel 690, alliage de nickel/chrome résistant à la corrosion.



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Message par BONNERUE Daniel le Ven 11 Jan 2008 - 17:40

Que voila une explication plus "accessible" aux non-initiés mon cher Joël.
Je ne cesserai de répéter que ce forum est agréable à fréquenter.
Il y a toujours un copain pour venir enrichir, compléter ou rendre plus compréhensible une explication trop "pointue".
Remercions encore une fois le "créateur", là je parle de FANCH et non de Dieu...



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Message par BONNERUE Daniel le Ven 11 Jan 2008 - 18:43

En démarrant ce sujet, je ne pensais pas que nous atteindrions ce niveau de discussion, mais puisque certains camarades se montrent intéressés, alors allons-y.

Le 10B (Bore 10) est un isotope du 5B (Bore). Le Bore étant un métalloïde tels le Silicium (14Si), le Germanium (32Ge), l’Arsenic (33Ar), l’Antimoine (51Sb), le Tellure (52Te) et le Potassium (84Po).

L’élément de « référence » 5Bore est caractérisé par un atome dont le noyau est composé de cinq protons autour duquel orbitent cinq électrons sur deux couches.
L’atome de l’isotope 10B se distingue par un noyau composé de cinq protons plus cinq neutrons, mais autour duquel orbitent toujours cinq électrons.
Le Bore (5B) ne se trouve pas à l’état pur dans la nature, mais sous forme de divers isotopes présents dans les minerais Borax et Colémanite.
Par contre, en ce qui concerne l’isotope 10B l’ « abondance » est de 19,8 % et pour le 11B elle est de 80,2 %.


Comme l’a si bien dit notre ami Joël CHANDELIER, le Bore 10 est une véritable « éponge » à neutrons, c’est la raison pour laquelle il est utilisé en qualité de modérateur dans les cœurs des réacteurs nucléaires, mais comme vous l’avez vu plus avant, il n’est pas le seul.



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Message par BONNERUE Daniel le Sam 12 Jan 2008 - 14:12

En cherchant on finit par trouver de plus en plus d'informations.
Pour permettre à ceux d'entre-nous qui sont intéressés par la propulsion nucléaire des navires, voici des précisions supplémentaires relatives au pilotage et à la sécurité des réacteurs à eau pressurisée (REP) utilisé comme "chaudières".
Les informations qui suivent confirment et précisent ce qui a été déjà évoqué ci-avant.

Absorption de neutrons

Lors de la fission d'un noyau, 2 ou 3 neutrons (2.43 en moyenne) sont libérés.
Or, dans un réacteur, il est nécessaire d'avoir une réaction en chaîne controlée ("critique" K=1) pour laquelle chaque fission n'entraîne qu'une seule autre nouvelle fission induite par un seul neutron.
Par conséquent, les neutrons de fission excédentaires doivent être éliminés : une partie de ces neutrons est capturée par les parois et structures internes de la cuve du réacteur, le reste est absorbé par des méthodes qui permettent un contrôle et un ajustement de cette absorption .

Par ajout d'acide borique dans l'eau du circuit primaire, et par insertion de barres de contrôle dans la cuve du réacteur, les neutrons peuvent être absorbés et donc la réaction en chaîne peut être controlée. L'acide borique et le matériau des barres de contrôle (un alliage Argent- Indium-Cadmium ou du carbure de Bore) ont la propriété d'absorber les neutrons.
En jouant sur la concentration d'acide borique dans l'eau du circuit primaire, et sur l'insertion de toutes ou d'une partie des barres de contrôle dans le réacteur, le bilan neutronique sera négatif ou positif.
Quand toutes les barres de contrôle tombent (par gravité) dans le réacteur, la réaction en chaîne est stoppée en 1.3 secondes: c'est ce qui se passe lors d'un arrêt d'urgence ou lors d'un "scram".



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Message par andrem le Sam 12 Jan 2008 - 16:51

Je me manifeste un peu tard, mais depuis deux jours je me bats avec un cinquantaine de spywares qui ont envahit mon PC.
Merci beaucoup Daniel de toutes tes explications qui m'ont de plus ramené presque cinquante ans en arrière quand je faisais des calculs de définition d'une des premières piles atomiques françaises "Brenda".
A part ce bon Avogadro (inoubliable), la remise à hauteur s'avérait nécessaire car mes souvenirs n'étaient plus tout à fait "up-to-date".
C'est toutefois assez ardu à digérer, je vais sans doute avoir besoin de m'y remettre plusieurs fois, mais je suis serein car on ne me demandera pas de refaire les calculs de neutronique pour voir si j'ai compris.
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Message par BONNERUE Daniel le Sam 12 Jan 2008 - 18:51

Un atome de Bore pur (5B)

La propulsion nucléaire des navires... - Page 2 Atomeboreff3

Ce à quoi pourrait ressembler un noyau de l'isotope 10B capturant des neutrons (on s'amuse comme on peut...)

La propulsion nucléaire des navires... - Page 2 Atome10boreetneutronat4


Dernière édition par le Mar 29 Jan 2008 - 20:37, édité 2 fois



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Message par Joël Chandelier le Sam 12 Jan 2008 - 23:52

Pour s'amuser un peu avec la table de Mandeleiev interactive.
L'interactivité est en bas de la page, le petit rectangle de couleur bleu plus ou moins foncé de gauche (ne pas oublier d'agrandir après avoir cliqué)

http://chimie.net.free.fr/tab.men.htm



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Message par BONNERUE Daniel le Dim 13 Jan 2008 - 17:31

J'ai réalisé un gif animé d'un REP à boucle simplifié, avec uniquement le turbo-alternateur (SNLE type "le Redoutable").
Le groupe turbo-réducteur de propulsion qui actionne la ligne d'arbre et l'hélice est, bien entendu, connecté sur le circuit de vapeur.

La propulsion nucléaire des navires... - Page 2 Repanimvb0


J'ai été obligé de le réduire de 640 x 640 px à 510 x 510 px car il ne voulait pas fonctionner sur le forum.


Dernière édition par BONNERUE Daniel le Lun 15 Sep 2008 - 20:22, édité 5 fois



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Message par Joël Chandelier le Dim 13 Jan 2008 - 18:07

Bravo Daniel et en plus tu as respecté les couleurs eau circuit primaire et eau circuit secondaire.
A bord des SNLE (les premiers dont le Redoutable) lors de ses retours d'essais à la mer en 1970 à Cherbourg je faisais une analyse de l'air du CRE puis, l'ouverture étant comme celà a toujours été le cas possible, je descendais avec ma Babyline faire les 21 points de mesure (planchers supérieur et inférieur) sur les canalisations du circuit secondaire.
En voyant ton gif animé je me revois 38 ans en arriére avec le shéma des circuits.



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Message par BONNERUE Daniel le Jeu 17 Jan 2008 - 16:22

Pour compléter la documentation graphique de ce sujet, j'ai dessiné un schéma simplifié d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée (REP ou PWR) "compact" du même type que ceux qui équipent nos SNLE-NG, le PAN "Charle De Gaulle" (K15) et dans quelques années les SNA du type "Barracuda".
Ce schéma ne montre que le circuit primaire, le circuit secondaire étant pratiquement identique à celui qui est accouplé aux réacteurs à boucles :

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Message par Joël Chandelier le Jeu 17 Jan 2008 - 16:44

Merci Daniel.
On distingue mieux " L'échange thermique " entre les deux circuits, (même si c'est shématisé), et l'on comprend mieux qu'il faille une hérmétisation totale entre les 2 circuits...



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