5.3 Étude de la criticité du système de vidange
5.3.2 Application au système de transfert
Lorsque la vidange est déclenchée, le combustible s’écoule dans le système de transfert en direction de l’EDT. Dans les études qui suivent, on considère le cas d’un blocage empêchant l’écoulement du sel et menant à une accumulation du combustible dans le collecteur et/ou le conduit de vidange.
Géométrie du système
Un schéma du système est donné en figure 5.3. Le collecteur peut être modélisé par un cône dont la pointe est tronquée et débouche sur le conduit de vidange. Son diamètre supérieur est imposé par la dimension de la structure située au dessus du collecteur, soit l’enceinte contenant le circuit combustible et les réservoirs de stockage normaux. De ce fait, le diamètre du collecteur est fixé à 12 mètres. Ce design correspond à la proposition initiale du projet SAMOFAR décrite au chapitre 1. Le conduit de vidange est de forme cylindrique. Sa hauteur (de 1 à 2m) est suffisamment faible pour limiter l’impact d’un évènement de type tremblement de terre sur la structure et son rayon (de 15 à 50 cm) suffisamment large pour limiter le risque de bouchage par du sel ou par d’autres composants. Les épaisseurs des parois du collecteur et du conduit sont considérées identiques et sont de l’ordre de quelques centimètres, soit une épaisseur largement suffisante pour assurer la tenue thermo-mécanique de l’alliage le composant. On considère dans les études suivantes que l’intégralité du sel combustible est
bloquée dans le système de transfert. De ce fait, le volume du combustible est fixé à 18 m3,
5.3. ÉTUDE DE LA CRITICITÉ DU SYSTÈME DE VIDANGE
Figure 5.3 – Représentation schématique du système de transfert
Le tableau 5.1 liste les paramètres fixés, variables et calculés pour l’étude du système de transfert. Paramètres fixés Rayon du collecteur R= 6 m Volume de combustible V = 18m3 Paramètres variables Angle d’inclinaison 0◦ < θ <90◦ Rayon du conduit 15cm < r <50 cm Hauteur du conduit 1 m < h <2 m
Profondeur du blocage dans le conduit 0< pB <2 m
Épaisseur de la paroi 0< tw <30 cm
Paramètres calculés
Hauteur du collecteur H= (R−r) tan(θ)
Rayon maximal du sel dans le collecteur rf = (3V−πr2pB
πtan(θ) +r3)1/3
Hauteur de sel dans le collecteur hf = (rf −r) tan(θ)
Table 5.1 – Liste des paramètres utilisés pour l’étude du système de transfert
Résultats des études de criticité
Les études présentées dans ce paragraphe sont le résultat du stage de Carole Seuvre [120], que j’ai co-encadré. Les simulations sont réalisées avec une composition initiale du combustible correspondant à un démarrage à l’uranium 233 et un un matériau de structure en hastelloy-N. Les calculs sont effectués avec la méthode de calcul critique de Serpent avec une statistique de 100000 neutrons source par cycles, 100 cycles inactifs et 500 cycles actifs. La valeur de
kef f relevée est celle donnée par la méthode implicite de Serpent. La déviation standard sur
la valeur dekef f, pour un calcul type du système de transfert complet, est d’environ 20 pcm.
Ces paramètres permettent de garantir la convergence du kef f et de la source de neutrons.
Dans une première approche, le conduit de vidange et le collecteur sont étudiés séparément. Puis, le système est étudié dans son ensemble dans une dernière étude.
Étude du conduit de vidange : Les parois métalliques contribuent à la réflexion des neutrons. Deux cas extrèmes ont donc été étudiés pour le conduit de vidange : le premier sans
paroi et le deuxième avec une épaisseur de paroi de 30 cm, valeur à partir de laquelle lekef f
ne varie plus quelle que soit l’augmentation d’épaisseur de paroi. Ces deux configurations constituent des cas limites pour les études du risque de criticité. La figure 5.4 représente les couples rayon-hauteur du conduit pour lesquels le coefficient de multiplication vaut 0,95 quand le conduit de vidange est rempli de combustible. Par conséquent, les points situés sous
les courbes correspondent à des configurations pour lesquelles lekef f est inférieur à 0,95. Elles
valident alors le critère de sûreté choisi et sont considérées comme sûres. Les configurations
situés au-dessus des courbes correspondent à des configurations de kef f supérieur à 0.95, et
sont donc invalides. Le cas avec paroi est plus contraignant du point de vue de la criticité puisque la paroi joue un rôle de réflecteur. Les configurations pour lesquelles le critère de sûreté est respecté sont ainsi délimitées par une zone plus petite. Remarquons toutefois que les configurations possédant les dimensions envisagées pour le conduit de vidange, soit un rayon compris entre 15 et 50 cm et une hauteur entre 1 et 2 m, sont toujours situées dans
la zone de validité du critère kef f <0,95, même dans le cas d’une paroi constituée de 30 cm
d’hastelloy. Ainsi toutes les configurations envisagées pour le conduit de vidange valident le critère de sûreté et le conduit de vidange seul ne pose donc pas de problème de criticité.
Figure 5.4 – Hauteur du conduit en fonction de son rayon pour unkef f de 0,95
Étude du collecteur : Pour l’étude du collecteur, l’ensemble des 18 m3 de combustible est considéré contenu dans le collecteur. Les configurations étudiées comportent une paroi de 30 cm d’épaisseur et un couvercle est ajouté au collecteur pour tenir compte de la réflexion des neutrons sur les structures situées au-dessus (notamment le réflecteur inférieur du cœur).
5.3. ÉTUDE DE LA CRITICITÉ DU SYSTÈME DE VIDANGE
Deux configurations sont étudiées : dans la première, appelée « cône simple », le rayon de conduit est nul tandis que dans la seconde, nommée « cône tronqué », un rayon de conduit de 50 cm est utilisé. Ces deux configurations permettent d’encadrer l’intervalle des rayons considérés pour le conduit (entre 15 et 50 cm). La courbe du facteur de multiplication en
fonction de l’angle d’inclinaison, représentée sur la figure 5.5, montre que lekef f est inférieur
à 0,95 dans deux zones du graphique : pour les petits et pour les grands angles d’inclinaison.
Pour les petits angles, la géométrie « cône simple » est la plus contraignante et le kef f est
alors inférieur à 0,95 quand l’angle d’inclinaison est inférieur à 16◦; ce qui correspond à
une hauteur du collecteur de 1,7 m. Pour les grands angles, le coefficient de multiplication diminue plus rapidement pour le cône simple que pour le cône tronqué. Cependant, même dans le cas du cône simple, qui est alors la géométrie la moins contraignante, les configurations
respectant le critère de sûreté ne sont obtenues que pour des angles supérieur à 89◦. Cet
angle correspond à une hauteur de collecteur supérieure à 344 m, soit des configurations inenvisageables. Ainsi, un système de transfert sans conduit et avec un collecteur d’angle très important serait par exemple impossible. Seule la première option, concernant les petits angles d’inclinaison, peut être retenue. En prenant en compte des considérations hydrauliques,
un angle d’inclinaison supérieur à 2◦ est recommandé de manière à assurer l’écoulement du
combustible sur le collecteur. Suite à cette étude, les configurations retenues sont celles dont
le collecteur possède un angle d’inclinaison compris entre 2 et 17◦. Ces angles correspondent
respectivement à des cônes de de 21 cm et de 1 m 83 de haut.
Figure 5.5 –kef f en fonction de l’angle d’inclinaison du collecteur
Étude du système de transfert : Une troisième étude est réalisée en considérant le
système de transfert dans son ensemble, quand les 18 m3 de sel combustible sont distribués
entre le collecteur et le conduit de vidange. L’objectif est de déterminer si des configurations plus contraignantes du point de vue de la réactivité peuvent être obtenues lorsque le sel combustible se trouve en partie dans le collecteur et en partie dans le conduit. Cette situation pourrait se produire dans le cas d’un blocage dans le conduit à une profondeur donnée (tel que dessiné en figure 5.3) et peut également représenter un écoulement lent du sel dans le système
de transfert. Le tableau 5.2 résume les résultats obtenus pour un rayon de conduit entre 30
et 50 cm et des angles de 10, 15 et 20◦. Il donne les valeurs dekef f maximales obtenues, la
profondeur du bouchon correspondant à ces maxima et la variation de réactivité ∆ρ entre
la situation où tout le combustible est dans le collecteur et la situation où le combustible va
jusqu’à la profondeur de blocage donnant lekef f maximum. L’apport de réactivité augmente
quand le rayon du conduit est grand et l’angle du collecteur petit. Toutefois, les quantités de réactivité en jeu sont limitées et l’apport de réactivité pour un angle d’inclinaison inférieur à
15◦ n’entraîne pas de dépassement de la limite kef f < 0,95.
Rayon du conduit Angle d’inclinaison 10◦ 15◦ 20◦
(kef f)max 0.90534 0.94298 0.96727 30 cm Profondeur du blocage 70 cm 50 cm 50 cm ∆ρ +767 pcm +439 pcm +270 pcm (kef f)max 0.91894 0.94792 0.96925 50 cm Profondeur du blocage 130 cm 80 cm 70 cm ∆ρ +3287 pcm +1670 pcm +984 pcm
Table 5.2 – Résultats des calculs de criticité pour différents rayons de conduit et angles du
collecteur du système de transfert
Pour conclure sur les études de criticité dans le système de transfert, les dimensions prévues pour le conduit de vidange ne posent pas de problème de criticité et l’angle d’inclinaison du
collecteur doit être compris entre 2◦ et 15◦.