Le projet BESTAIR

​

Dernière mise à jour en septembre 2015

​Le projet BESTAIR (Beryllium Source Term due to an Accident in the ITER experimental reactor) mené par l’IRSN en 2013-2014, visait à mieux évaluer d'éventuels rejets de béryllium dans l'environnement en cas d'accident sur l'installation ITER. Il a reçu le prix IRSN de la créativité en recherche exploratoire en 2015.

Le projet international ITER a pour objectif de démontrer la possibilité technologique de produire de l'énergie par fusion thermonucléaire à partir d’un plasma tritium-deutérium. Il s’agit de rendre possible le confinement d’un plasma de plusieurs centaines de millions de degrés dans une chambre à vide de 2000 m³ dont les parois sont constituées de tungstène et de béryllium, pendant plusieurs centaines de secondes, à l’aide d’aimants supraconducteurs maintenus à très basse température. La chambre à vide intègre en outre un système de refroidissement en eau.

En fonctionnement normal, une partie du tritium inutilisé par la fusion et plusieurs centaines de kilogrammes de poussières de tungstène et de béryllium produites par l’érosion des parois internes de la chambre s’accumuleront dans celle-ci. En cas d’accident lié à une perte de confinement induite, soit par une entrée d’air consécutive à la rupture d’une traversée de la chambre à vide, soit par une entrée d’eau suite à la rupture d’un tube de refroidissement, les poussières et les gaz bérylliés et tritiés (extrêmement toxiques) pourraient être rejetées dans l’environnement. Pour pallier à cette éventualité, des systèmes de filtration complètent l’installation.

L’objectif du projet BESTAIR était d’approfondir les connaissances sur les espèces chimiques bérylliées et tritiées présentes dans l’enceinte du réacteur et de modéliser leur comportement en cas d’accident afin de pouvoir mieux évaluer l’efficacité des filtres devant équiper l’installation ITER. La nouveauté de ce projet par rapport aux études antérieures qui n’intégraient qu’une chimie limitée à l’oxygène, au tritium et à l’hydrogène réside dans la prise en compte additionnelle du béryllium, qui doit permettre de prédire l’ensemble des espèces bérylliées et tritiées pouvant se former et être rejetées accidentellement de l’installation.

Le projet BESTAIR s’est concentré sur l’étude des données thermodynamiques des espèces gazeuses du système Béryllium-Oxygène-Hydrogène-Tritium (Be-O-H-T), c’est en effet sous forme gazeux que se ferait l’essentiel des rejets de béryllium et de tritium dans l’environnement (terme source).

Pour cela, BESTAIR s'est d’abord appuyé sur une analyse critique des résultats expérimentaux existant dans la bibliographie puis sur des calculs de chimie théorique pour compléter les manques.

Quatre étapes ont été suivies :

• une première étape consistait à réévaluer de façon plus précise les enthalpies de formation des oxydes gazeux (BeO, Be₂O, Be_nO_n avec n < 7) et des hydroxydes (BeOH et Be(OH)₂), sur la base de calculs des constantes géométriques (structurales et vibrationnelles) des molécules gazeuses et d’une nouvelle interprétation des données expérimentales spectrométriques disponibles dans la littérature ;

• une deuxième étape était dédiée à la définition et à la validation d’une méthodologie de caractérisation théorique pour le système Be-O-H, sur la base de calculs de chimie théorique pour les espèces considérées comme les mieux connues. Ces calculs, menés avec différentes méthodes relevant de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT)¹ , ont permis d’accroître le niveau de confiance dans la prédiction par calcul des propriétés thermodynamiques des espèces bérylliées d’intérêt ;

• une troisième étape visait à déterminer les données thermochimiques manquantes ou peu fiables (notamment les données des espèces tritiées) avec la méthodologie précédemment définie ;

• l’étape finale, qui découlait des trois premières, consistait à déterminer les composés du système Be-O-H-T les plus stables dans les conditions accidentelles de perte de confinement de l’installation ITER.

Compte-tenu de la masse très importante (de l’ordre de 500 kg) de poussières de béryllium dans la chambre à vide, les interactions hétérogènes entre le tritium et ces poussières doivent être considérées. Ce travail consiste en une démarche couplant la physique du solide et la chimie théorique pour développer des modèles prédictifs d’adsorption/désorption de l’hydrogène. Il fait l’objet d’une thèse (Laura Ferry) démarrée en octobre 2014 à l’IRSN.

1. Méthode de calcul quantique qui permet l'étude exacte de la structure électronique d'une molécule.