1.6 Détermination du paramètre Fraction Fissile Régénératrice
2.1.2 Analyse de ses caractéristiques et de sa capacité de conversion
Les zones fertiles du coeur, c’est-à-dire les tranches fertiles des crayons appartenant aux assemblages MOX, ainsi que les crayons des assemblages fertiles, sont composées d’oxyde d’ura- nium appauvri UappO2, tandis que les zones fissiles sont composées d’UappP uO2 dont la fraction
massique de plutonium s’élève à 21%mN L. La teneur en plutonium élevée s’explique par le fait
que les zones fertiles représentent 37% du volume total, fraction qui se décompose en 21.5% correspondant aux assemblages et 15.5% correspondant aux tranches, et par la mauvaise qualité du plutonium au chargement qui est de 56% fissile (Pu2035 ).
La longueur de cycle est de 320 jepp avec un inventaire plutonium en début de vie de 20 tonnes. Le taux de combustion moyen au déchargement est de 44 GWj/t pour les tranches MOX, 17 et 19 GWj/t respectivement pour les tranches et les assemblages fertiles.
Tout d’abord, rappelons que les principaux facteurs limitant le déploiement des RSM, et donc l’économie des ressources, sont leur bilan cœur et leur consommation de plutonium. À titre de démonstration, considérons un parc composé uniquement de REP à combustible UOX
producteur de plutonium de qualité 62% fissile, et deRSM, dont la consommation de plutonium fissile est notée CRSM
P u en kg/TWhé. La production de plutonium d’unEPRà combustibleUOX
déchargé à 60 GWj/t est de 26.4 kg/TWhé [Bataille and Galley,1998]. La qualité du plutonium produit enREPavoisine 62%, par conséquent, cela revient à une production de P uf issileenEPR,
notée CP R
P u, de l’ordre de 16.4 kg/TWhé. Par conséquent, alimenter unRSMen plutonium fissile
nécessite CRSM P u /CP uP R
EPR. La fraction deRSMqu’il est possible de déployer dans le parc est NRSM, définie par l’équation (2.3). Ce nombre est fonction de l’inverse de la consommation de
plutonium et n’est valable en ne considérant que le plutonium. Or, par la suite, l’utilisation du thorium va engendrer la production d’233U, ce qui modifiera ce critère indicatif. Cependant il
permet de mettre en évidence la nécessité de limiter la consommation de plutonium.
NRSM = 1 1 +CP uRSM CP R P u = 16.4 CRSM P u + 16.4 (2.3)
Une analyse détaillée de la consommation/production de plutonium selon les différentes zones permet de comprendre le rôle de chaque milieu. En particulier, les résultats du Tab. 2.2
démontrent clairement l’importance des parties fertiles pour limiter la consommation globale de plutonium : la somme des productions fertiles s’élève à 12.55 + 6.27 = 18.82 kg/TWhé de plutonium, dont 14.68 kg/TWhé de plutonium fissile tandis que 53.13 kg/TWhé de plutonium sont consommés dans les tranches fissiles. De plus, la comparaison des productions entre tranches et assemblages fertiles met en évidence que la conversion est plus efficace au sein des assemblages : la production de plutonium dans les assemblages est deux fois plus élevée que dans les tranches pour un volume combustible seulement 1.4 fois plus grand.
Paramètre Tr. MOX Tr. FERT Ass. FERT Coeur
Prod. Pu (kg/TWhé) -53.13 6.27 12.55 -34.30 Prod. P uf issile (kg/TWhé) -40.74 4.64 10.04 -26.06 Qualité PuDdV (%m) 56.49* - - 56.49 Qualité PuFdV (%m) 53.03 73.66 79.55 54.93 Qualité PuFdV+5 ans (%m) 52.88 73.35 79.44 53.96 FIR 0.842 4.572 6.332 0.891 FIR+5 ans 0.810 4.420 6.143 0.857 FIRéq 0.879 7.426 10.173 0.931 FIRéq +5 ans 0.822 6.994 9.630 0.871
Tab.2.2: Bilan matière DdV/FdV par lot du cœur RSM de référence (* La qualité du Pu2035 était indiquée précédemment à 56.07% en prenant en compte l’241Am. La valeur de 56.49% est calculée sans tenir
compte de l’241Am)
La différence fondamentale entre assemblages et tranches fertiles réside dans le spectre neu- tronique imposé à ces zones par le milieu nourricier environnant. En effet, les tranches fertiles, de petit volume, sont prises en sandwich entre les tranches MOX et bénéficient d’un haut flux de neutrons. Tandis que les assemblages voient un spectre très différent selon que l’on se place au centre ou en périphérie de l’assemblage, mais également un spectre qui évolue entre début et fin d’irradiation à cause de la production de plutonium (durcissement du spectre). La Fig. 2.3
Chapitre 2. Définition de cœurs sous-modérés à combustible ThPu/Uapp et UappPu/Th
Cette variation de spectre spatiale et temporelle pourra être exploitée au moment de l’étude des cœurs mixtes à combustibles thoriés. En effet, le 232Th présente un avantage sur l’238U en
terme de capture dans le domaine thermique où sa section est environ trois fois plus grande que celle de son homologue238U.
Fig.2.3: Spectres neutroniques normalisés (intégrale = 1) dans les tranches MOX et les assemblages fertiles. Le spectre des assemblages fertiles est décomposé entre centre et périphérie de l’assemblage. Les courbes sont données à 0 et 25 GWj/t
Ainsi, la très haute conversion des zones fissiles permet de contrebalancer efficacement la consommation de plutonium au sein des zones MOX nourricières. Par ailleurs, un point qui n’a pas encore été mentionné est la quasi-conservation de la qualité du plutonium entre chargement et déchargement. Là encore, les fertiles ont un rôle primordial car la qualité du plutonium dans ces zones spécifiques est de l’ordre de 76% en moyenne après 5 ans de refroidissement. Cela permet de compenser la qualité du plutonium déchargé des zones MOX. Enfin, on remarque également qu’entre déchargement et refroidissement, la qualité moyenne du plutonium passe de 54.93 à 53.96 %, autrement dit en 5 ans, la qualité s’est détériorée de 1%, à cause de la décroissance hors flux du241Pu en241Am.
L’analyse de ce cœur montre le besoin de complémentarité entre les cycles uranium et thorium au sein d’un même réacteur à haut facteur de conversion. Le cœur présenté dans cette section constitue une image de base tout à fait indiquée pour l’étude de cœurs mixtes hétérogènes. Cependant, avant de passer à l’étude de cœurs thoriés complexes, nous allons nous attarder un moment sur un cas beaucoup plus simple, c’est-à-dire un cœur sous-modéré homogène à combustible ThPuO2, dans le but de comprendre la physique de ce système et d’évaluer l’ordre
de grandeur des coefficients neutroniques.