2.2 Étude du cœur RSM homogène à combustible ThPuO 2
2.2.1 Détermination d’un plan de chargement
L’étude de ce cœur simplifié à nécessité l’élaboration d’un plan de chargement/rechargement adapté. La définition de ces plans repose en pratique sur plusieurs critères. Parmi les plus importants, nous pouvons citer la fluence de la cuve, le coefficient de vidange et le facteur de point chaud. Le premier point est particulièrement important car la limitation de la fluence cuve va permettre d’allonger la durée de vie du réacteur. Cependant, l’utilisation de réflecteurs lourds limite considérablement la fluence de la cuve. Par contre, le problème récurrent des RSM
à forte teneur en plutonium est le coefficient de vidange qui peut devenir positif. C’est pourquoi nous avons adopté une gestion de type OUT/IN, c’est-à-dire en positionnant les assemblages neufs en périphérie du cœur et en les faisant migrer vers le centre au fur et à mesure des cycles d’irradiation. Ce mode de gestion n’est pas optimal pour la gestion de la réactivité car il ne minimise pas les fuites neutroniques radiales. Par contre il permet d’augmenter la composante de fuite en cas de vidange et d’aplatir la nappe de puissance radiale.
La qualité du plan de chargement dépend également de la minimisation du facteur de point chaud. Or l’étude du point chaud est l’étude d’un phénomène local. Le facteur de point chaud est défini par (2.4) : c’est la puissance cœur 3D maximale, normalisée à la puissance moyenne.
Fq =
max(x,y,z)(P (x, y, z)) Pmoy
(2.4)
Ainsi, non seulement le facteur de point chaud est un problème 3D mais en plus il nécessite de se placer à l’échelle du crayon. Un tel niveau de raffinement géométrique est rédhibitoire pour les temps de calcul qu’il impose, spécialement dans le cadre d’études de conception pros- pectives. Ainsi, la maille spatiale unitaire radialement est souvent l’assemblage. Une première approximation permettant d’estimer le facteur de point chaud à partir du calcul cœur consiste à décomposer le facteur de point chaud en le produit d’un facteur de forme radial (FXY) par un
facteur de forme axial (FZ), et à convoluer le FXY cœur par un FXY assemblage selon la relation
(2.5). Le facteur de point chaud réel est en fait inférieur ou égal à ce produit. Les exposants coeur font référence à une valeur obtenue à partir du calcul cœur 3D, tandis que les exposants ass, ∞ font référence à une valeur obtenue à partir d’un calcul assemblage 2D en milieu infini.
Fq≤ FZcoeur× FXYcoeur× FXYass,∞× k←−−gradx,y(Pcoeur)k (2.5) 1L’inventaire plutonium cœur enDdVfait référence à la masse totale de plutonium en début de cycle dans le
coeur, tous lots d’assemblage confondus. Ainsi, la masse totale de plutonium MP u(DdV ) est égale à la somme
Chapitre 2. Définition de cœurs sous-modérés à combustible ThPu/Uapp et UappPu/Th FZcoeur= max z (PXY(z)) PXY(z) = 1 Scoeur Z Z Scoeur P (x, y, z)dxdy FXYcoeur= max x,y (PZ(x, y)) PZ(x, y) = 1 Hact Z Hact P (x, y, z)dz (2.6)
Le terme k←−−gradx,y(Pcoeur)k correspond au gradient radial de puissance 3D du cœur (forme
cosinusoïdale, puissance maximale au centre, et déprimée en périphérie). Il est particulièrement important de prendre en compte la déformée de puissance assemblage dans le cas de cœurs hété- rogènes. Par exemple dans le cas de ce cœur de référence, des assemblages "fertiles" (en uranium appauvri, 235U/U = 0.2%m
N L ) côtoient des assemblages "fissiles" (composés de 21%mN L de
plutonium sur support uranium appauvri). Une forte remontée de la puissance est observée au ni- veau de la couronne périphérique des assemblages fissiles adjacents à cause de la remontée de flux thermique en périphérie des assemblages fertiles. Le calcul du terme FXYass,∞× k←−−gradx,y(Pcoeur)k
a été évalué de manière à être conservatif à partir d’un assemblage fertile neuf au contact d’un assemblage fissile neuf. Le pic de puissance vaut alors 1.7. Dans ce chapitre prospectif, les fac- teurs de forme assemblage n’ont pas été évalués aussi précisément : l’ordre de grandeur de 1.7 est pris comme référence.
La minimisation du facteur de point chaud est recherchée principalement pour éviter tout risque de fusion de la pastille combustible ou d’ébullition locale. Dans le cas du combustible
UOX, la fusion se produit lorsque la température du crayon atteint 2760˚C. La consigne de sûreté retenue parEDFpour unREPest de limiter la température combustible à 2590˚C, ce qui fixe la puissance linéique maximale à ne pas dépasser à 590 W/cm [?] (470 W/cm en conditions normales de fonctionnement). Remarquons cependant que la température de fusion de l’oxyde de thorium est supérieure à celle des oxydes d’uranium ou de plutonium et se situe à 3650˚C [Ronchi and Hiernaut,1996]. La conductivité thermique du combustible ThPuO2 est inférieure
à celle du PuO2 seul, mais supérieure à celle de l’UO2 (voir Annexe C). Ainsi, des marges
sont à attendre sur le critère de puissance linéique maximal. La puissance linéique moyenne du cœur RSMhomogène à combustible ThPuO2 est de :
Plin=
Pcoeur th
Ncrayons× Hact
= 131 W/cm (2.7)
Le calcul assemblage en milieu infini réalisé avec le code réseau APOLLO2 à partir de cette composition de combustible nous permet de connaître la cartographie de puissance as- semblage, détaillée Fig.2.4. Le facteur de point chaud assemblage Fass
XY vaut 1.095. Les crayons
qui dégagent une puissance supérieure à la valeur moyenne sont ceux qui bénéficient d’une sur-modération locale. Le crayon dans lequel est observé le point chaud est situé en coin d’as- semblage, et est environné par la lame d’eau sur trois de ses faces. Les autres crayons de la couronne périphérique sont en regard de la lame d’eau sur deux faces et les crayons proches d’un trou d’eau sur une face uniquement. La sur-modération locale implique un meilleur taux de fission du plutonium, et donc un dégagement de puissance supérieur.
Fig.2.4: Distribution de puissances normalisées à la puissance moyenne sur un 12ème d’assemblage hexagonal
en DdV
Le plan de chargement élaboré est illustré par le schéma de la Fig. 2.5a. La cartographie des distributions de puissances associées est décrite par la Fig.2.5.
(a) Plan de chargement (b) FXY
Fig.2.5: Plan de chargement en gestion par quart et distributions de puissances radiales par assemblage en DdV
En DdV, Le FZ est de 1.270, le FXY du cœur est de 1.405 et le FXY de l’assemblage vaut
1.095. Par conséquent le facteur de point chaud du cœur est estimé à Fq= 1.954 en début de vie,
au moment où les différences de puissance entre assemblages sont les plus pénalisantes. Cette valeur correspond à une puissance linéique de 256 W/cm, ce qui est bien en-dessous du seuil de 470 W/cm (valeur limite REP recommandée en conditions normales de fonctionnement).