Physique des réacteurs sous-critiques

Les réacteurs pilotés par accélérateur (Accelerator Driven System)

Les ADS ont la particularité d’être des réacteurs « sous-critiques », c'est à dire qu'il n'y a pas de réaction en chaîne auto-entretenue et par conséquent, la puissance thermique ne peut être maintenue qu'avec un apport externe de neutrons. Dans la plupart des concepts étudiés un accélérateur fournit des protons de haute énergie, qui vont frapper une cible de spallation faite d’un métal lourd (par exemple du plomb) située au cœur du réacteur sous-critique. Les neutrons ainsi créés par spallation en grand nombre vont créer des fissions dans le cœur et permettre de générer et maintenir une certaine puissance thermique qui pourra être modulée ou devenir nulle sur commande par le pilotage de l’accélérateur. Ce contrôle de la puissance par l’accélérateur permet d’utiliser des combustibles un peu exotiques comme les actinides mineurs dont les propriétés neutroniques ne permettent pas l’utilisation en grandes quantités en réacteur critique (essentiellement à cause de leur faible fraction de neutrons retardés et de son impact sur la cinétique de pilotage du réacteur). L’ADS incinérateur est alors exploité en version rapide, avec du plomb liquide comme caloporteur. De tels ADS pourraient trouver leur place dans un scénario où l’on souhaiterait incinérer, dans des systèmes dédiés, certains déchets nucléaires, plus particulièrement les actinides mineurs, produits par les filières REP actuelles (scénarios dits à double strate) ou en cas d’arrêt du nucléaire (scénarios de fin de cycle): l’objectif serait de réduire leur radiotoxicité et leur chaleur résiduelle et par conséquent les surfaces de stockage, ce qui représente un enjeu majeur dans les stratégies de gestion des déchets et notamment pour l’enfouissement géologique.

Le contrôle de la réactivité (ou sous-criticité)

Le potentiel de ces systèmes a été à l’origine de nombreux programmes de recherches internationaux pour lever les différents verrous sur le chemin de leur faisabilité, menant à un projet de construction d’un démonstrateur de puissance intermédiaire de 100 MW au SCK-CEN (Belgique), le projet MYRRHA.

Parmi les nombreux programmes expérimentaux consacrés aux différents aspects des ADS nous nous sommes impliqués dès les années quatre-vingt-dix dans ceux dédiés à la neutronique du milieu sous-critique et plus particulièrement à la question cruciale de la mesure du niveau de sous-criticité du réacteur (ou « réactivité »). Ce niveau doit rester dans des marges de sûreté qui garantissent que le système restera suffisamment loin de la criticité en cas d’incident (par exemple lors d’une insertion accidentelle de réactivité) pour que le pilotage de sa puissance reste assuré par l’accélérateur. Il est donc nécessaire de disposer d’une mesure absolue fiable du niveau de sous-criticité pour s’assurer que le système reste dans les marges définies préalablement. Or, en mode de fonctionnement normal, aucune mesure directe dans le réacteur ne donne accès à la réactivité du cœur, paramètre physique global caractérisant un cœur. Il est donc crucial d’investiguer la neutronique et des méthodes de mesure dédiées à ce type de cœur pour y parvenir de façon fiable et rapide. Pour ce faire une approche expérimentale sur maquette est indispensable. De puissance quasi-nulle, une maquette permet d’étudier la cinétique du cœur indépendamment des aspects thermiques.

L’équipe du LPSC et ses collaborateurs du LPC Caen ont participé au programme expérimental GUINEVERE de 2006 à 2020 (projets EUROTRANS, FREYA, MYRTE et MYRACL). Ce programme a fait suite aux travaux du LPSC sur le programme MUSE (1998-2005), réalisé auprès de MASURCA au CEA Cadarache, sur les conclusions desquels il a été bâti. Il poursuit l’objectif global de valider dans son ensemble une méthodologie de suivi en ligne de la réactivité d’un futur système de puissance au cours de son fonctionnement. Il s’intéresse également à la caractérisation de la réactivité du cœur dans sa phase finale de chargement, donc à partir d’un niveau de réactivité assez bas jusqu’à celui choisi. Pour ce faire des configurations aussi proches que possibles des caractéristiques prévues pour un ADS de puissance ont été étudiées.

Le projet GUINEVERE

De 2006 à 2010, dans le cadre du projet européen EUROTRANS-IP, le « projet » GUINEVERE a principalement consisté en la réalisation d’une installation expérimentale de type maquette pour disposer d’un outil adapté aux besoins expérimentaux. Cette maquette a été construite à partir du réacteur VENUS du SCK-CEN à Mol en Belgique. Ce réacteur de recherche, initialement thermique, a été modifié pour le projet GUINEVERE afin d’approcher au mieux le cœur d’un ADS rapide au plomb. Le nouveau cœur est constitué d’un réseau d’aiguilles de combustible d’uranium métallique enrichi à 30% mélangées à des réglettes de plomb solide (prêt CEA), et il est entouré par des réflecteurs en plomb. Quatre assemblages combustible sont retirés en son centre pour permettre l’insertion de la partie terminale de la ligne de faisceau fournissant la source de neutrons (cible tritiée), assurant ainsi un couplage vertical. Il s’agit d’une source de neutrons de 14 MeV de type GENEPI (réactions T(d,n) à 220 keV), la source GENEPI-3C, construite par une collaboration IN2P3 et adaptée aux nouvelles exigences du programme expérimental. Au mode pulsé intense initial s’est ajouté un fonctionnement en mode continu (160 μA - 1 mA) dans lequel peuvent être programmées des interruptions rapides, brèves et récurrentes de faisceau afin notamment d’enregistrer régulièrement les spectres de la décroissance temporelle de la population de neutrons ainsi induite dans le cœur. C’est à partir de ces spectres que sont appliquées les méthodes permettant de déterminer la réactivité du système. Cette installation, qui porte maintenant le nom de GUINEVERE, a été inaugurée en 2010 et peut fonctionner en mode sous-critique couplé depuis octobre 2011. La source étant amovible, le réacteur peut également être chargé en mode critique si besoin.

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Schéma de l'installation expérimentale GUINEVERE (réacteur VENUS couplé à l'accélérateur GENEPI-3C, sur le site du SCK-CEN à Mol). (Crédits SCK-CNRS)

Visite de l'installation expérimentale GUINEVERE:

http://youtu.be/KII1GNHD00A

Le programme expérimental « GUINEVERE » est axé sur les méthodologies permettant de monitorer la réactivité en ligne d'un ADS. Il a été exécuté principalement au cours de trois phases, les projets européens FREYA et MYRTE (portés par le SCK-CEN), et le projet franco-belge MYRACL, qui ont tour à tour poussé les investigations dans des configurations de cœur et de faisceaux toujours plus représentatives du projet d’ADS MYRRHA, consolidant ainsi les étapes nécessaires à son futur licensing.

Le projet FREYA

Au cours du projet européen FREYA « Fast Reactor Experiments for hYbrid Applications » (FP7 2011-2016) les études se sont concentrées dans un premier temps sur des cœurs sous-critiques constitués d’uranium enrichi et de plomb assez homogènes et symétriques, dans une gamme de réactivités allant de -18$ à -4$ (facteurs de multiplication allant de 0,9 à 0,97) obtenues en ajustant le nombre d’assemblages combustible à la périphérie du cœur, ou en jouant sur les barres de contrôle. Différentes techniques de mesure ont pu être appliquées en utilisant soit des faisceaux pulsés, soit des faisceaux continus comportant des interruptions, permettant dans les deux cas d’appliquer des méthodes exploitant la dynamique temporelle de la population de neutrons pour extraire la réactivité. Des configurations plus exotiques ont ensuite été réalisées dans le but de tester la robustesse des méthodes en fonction de la composition du cœur: la position de la source a été modifiée, une partie du réflecteur en plomb a été remplacée par de l'acier, un assemblage simulant une cellule d'irradiation a été installée. Après cette première approche des assemblages plus concentrés en combustible mais incluant également de l’alumine ont été utilisés afin d’adoucir le spectre en énergie des neutrons d’une part (plus proche de celui de MYRRHA), et d’obtenir des cœurs plus petits permettant de tester de nouveaux éléments dans le réflecteur d’autre part, comme de nouvelles cellules d’irradiation ou la présence de graphite pour simuler celle d’oxyde de béryllium prévue dans MYRRHA. Les mêmes méthodes de mesure de réactivité ont pu être testées sur ces cœurs. De très bons accords ont été obtenus entre les réactivités de ces cœurs déterminées par une méthode de référence (méthode MSM) et les mesures réalisées dans des interruptions de faisceau grâce à des chambres à fission à U5 après correction des effets spatiaux-énergétiques.

Le projet MYRTE

La conception du cœur pour le projet MYRRHA a connu de constantes évolutions en parallèle des programmes expérimentaux, conduisant à définir de nouvelles configurations expérimentales pour tester la fiabilité des mesures de réactivité dans des conditions plus représentatives. Ainsi une partie (WP5) du projet européen MYRTE (MYRRHA Research and Transmutation Endeavour, H2020, 2016-2019) a permis d’approfondir nos études en remplaçant une partie du plomb initial des assemblages de cœur par du bismuth afin de simuler la présence de l’eutectique Pb-Bi prévu dans MYRRHA, en ajoutant une double couronne de graphite entre la zone combustible et le réflecteur, avec la possibilité d’installer également plusieurs cellules d’irradiation dans le cœur. Outre ces nouvelles caractéristiques ces expériences se sont particulièrement concentrées sur l’instrumentation dédiée aux mesures de réactivité : la nature des dépôts des chambres à fission et leur emplacement, avec la contrainte de pouvoir réaliser des mesures fiables dans le réflecteur. Aux chambres à fission à U5 de différentes sensibilités utilisées pour les précédentes campagnes se sont ajoutées des chambres à fission à U8 (donc à seuil) avec différents degrés de pureté, et également la possibilité d’écranter les chambres à U5 avec des couvertures borées pour favoriser la détection de neutrons rapides. De nombreux emplacements de détecteurs ont pu être testés, et les mesures se sont concentrées sur le mode continu interrompu périodiquement. Des effets spatiaux ont à nouveau été mis en évidence, d’autant plus importants que la sous-criticité est grande, mais calculables par code Monte Carlo, et conduisant finalement à des valeurs de réactivité assez fiables, montrant la possibilité de monitorer la réactivité dans le réflecteur avec des détecteurs à U5.

Le projet MYRACL

Un dernier aspect des mesures de réactivité a nécessité un projet dédié : il s’agit du cas de figure du démarrage d’un ADS de puissance, caractérisé par deux aspects : au démarrage le réacteur sera très sous-critique, et la puissance injectée par l’accélérateur linéaire couplé au cœur ne pourra pas être à son niveau nominal mais à quelques pourcents seulement. C’est l’objet du projet MYRACL (MYRRHA ACceLerator), collaboration entre l’IN2P3 et le SCK-CEN (2017-2021) d’essayer de reproduire ce type de conditions de mesure sur la maquette GUINEVERE pour démontrer la faisabilité du monitoring. A partir du dernier cœur étudié dans MYRTE, rendu très sous-critique en jouant sur l’insertion des barres de sûreté (de -21$ à -7$), des mesures de réactivité ont été réalisées en faisant fonctionner l’accélérateur GENEPI-3C en mode continu interrompu mais avec un très faible cycle utile, typiquement 2% (2 ms de faisceau sur une période de 100 ms). Ces mesures ont également pu être réitérées dans un cœur encore plus sous-critique comportant quelques assemblages combustible en moins (-30$) de façon à tenir compte de la différence de fraction de neutrons retardés entre le cœur de VENUS-F et celui de MYRRHA (due à la différence de combustible) et représenter un niveau assez sous-critique de MYRRHA. Selon l’emplacement des détecteurs (et leur nature), en particulier selon leur proximité avec des hétérogénéités du cœur, les résultats bruts sont assez dispersés pour un même cœur, d’autant plus que le cœur est sous-critique. Cette dispersion se réduit néanmoins à 2% en appliquant les facteurs spatiaux-énergétiques calculés, menant à un bon accord avec les valeurs MSM de référence.

L’ensemble du programme expérimental GUINEVERE fait encore l’objet de travaux d’analyse complémentaires.

Quelques références

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