MESURE DE PROFIL AXIAL DE TAUX DE FISSION TOTAL SUR CRAYON COMBUSTIBLE
Fig 61 : coupe selon X du banc de mesure simulé par MCNP
5 INFLUENCE DE LA CHAINE DE MESURE
Depuis le programme MISTRAL débuté en 1995, jusqu’ à l’ acquisition en novembre 2004 des électroniques DSP, les chaînes de mesure 2026+PCA3 ont équipé les deux bancs de spectrométrie γ dédiés à la translation axiale et au suivi de la décroissance radioactive. L’ étude menée au chapitre 1 de la partie II a permis de quantifier les erreurs commises par ces systèmes, due à une correction de temps mort non optimale. Les pertes de comptage étant d’ autant plus élevées que le flux reçu par le détecteur est important (Fig. 17), le phénomène de temps mort conduisait à un aplatissement du profil de taux de fission mesuré, davantage marqué au centre du combustible qu’ à ses extrémités. Cette déformation conduisait à une sous-estimation du laplacien 2
z
Au cours de la thèse, la comparaison des profils de taux de fission mesurés sur un même crayon, à partir des anciennes et des nouvelles chaînes de mesure, n’ a pas pu être réalisée. Toutefois, il est possible d’ obtenir une estimation a posteriori de l’ erreur commise sur la mesure du laplacien en reprenant des profils obtenus par le passé et en s’ appuyant sur l’ étude de caractérisation de la chaîne 2026+PCA3. En utilisant la méthode des deux sources, on peut établir le lien entre l’ erreur relative ε (en %) et le taux de comptage n(t) (en s-1) en entrée de la chaîne. Au premier ordre, on a une dépendance linéaire sous la forme :
ε = -4.828×10-6 × n(t)
Cette relation peut être utilisée pour corriger le biais de mesure lié au temps mort en divisant chaque comptage par une post-correction (1 - ε). La figure suivante montre, dans le cas du crayon UMoAl irradié au centre du réseau R1-UO2 dans MINERVE [83], la comparaison entre les profils mesurés, avec et sans post-correction du temps mort :
0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 -200 -175 -150 -125 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 150 175 200 Position (m m ) T a u x d e f is s io n ( n o rm a li s é à l a m o y e n n e d e - 2 4 0 à + 2 4 0 m m )
sans post-correction du temps mort avec post-correction du temps mort
Fig. 75 : profil axial de taux de fission du crayon UMoAl irradié dans MINERVE
Pour le banc de mesure axiale, l’ erreur ε varie, selon la position, de 0.4% (zo = 200 mm) à 2% (zo = 0 mm). Pour le banc qui suit la décroissance de l’ activité totale du crayon au cours du temps, l’ erreur ε varie de 2.5% à 3% entre la première mesure (zo = -200 mm) et la dernière (zo = +200 mm).
Le traitement des deux profils présentés ci-dessus avec la méthode d’ extraction du laplacien décrite dans la section §4.1 de ce chapitre, conduit aux résultats suivants :
Sans post-correction Avec post-correction Mesure 2 ( 2) z z u B B ± (×10-5 mm-2) Zone d’ ajustement (mm) ) ( 2 2 z z uB B ± (×10-5 mm-2) Zone d’ ajustement (mm) Ecart relatif sur les laplaciens N°1 1.887 ± 0.019 [-200 ; 200] 1.943 ± 0.020 [-200 ; 200] 2.97% N°2 1.874 ± 0.025 [-200 ; 200] 1.920 ± 0.025 [-200 ; 200] 2.46% N°3 1.864 ± 0.022 [-200 ; 200] 1.904 ± 0.022 [-200 ; 200] 2.15%
Tab. 40 : influence du biais de mesure lié au temps mort sur la détermination du laplacien 2
Ce tableau montre que l’ erreur commise par les anciennes électroniques 2026+PCA3 sur la mesure du laplacien géométrique axial, atteint jusqu’ à 3%. La diminution du biais entre les trois mesures réalisées, est corrélée à la décroissance de l’ activité γ totale du combustible. Celle-ci permet d’ établir une relation entre le taux de comptage nreduit(t) de la gamme [500 keV ; 2700 keV], pour la position centrale zo = 0 mm, et l’ erreur relative εlaplacien commise sur la mesure de B : z2
εlaplacien ≅ 1.035×10
-5× n
reduit(t)
Cette relation offre la possibilité de corriger simplement des mesures réalisées par le passé
dans EOLE ou dans MINERVE, à partir de crayons UO2 ou MOX, quelle que soit la longueur de la
colonne fissile. On retiendra qu’ un taux de comptage nreduit(t) de 1000 s
-1
au centre du combustible conduit à une erreur systématique εlaplacien d’ environ 1%.
A noter enfin que le biais obtenu dans le cas du crayon UMoAl constitue un cas enveloppe pour toutes les mesures d’ axiales réalisées par le passé car il s’ agit du combustible le plus enrichi en uranium 235 ayant été étudié depuis le programme MISTRAL. Pour les autres mesures réalisées à partir de crayons UO2 ou MOX standards, intégrant la même puissance d’ irradiation, le taux de
comptage obtenu est de 1.5 à 3 fois plus faible et le laplacien doit être corrigé de 1 à 2 %.
6 CONCLUSION
Dans ce chapitre, une analyse critique de la technique de spectrométrie γ intégrale a été menée pour la mesure des profils axiaux de taux de fission. Elle passe en revue les différentes étapes, depuis la mise en œuvre expérimentale (configuration du banc, chaînes électroniques) jusqu’ à l’ extraction du laplacien géométrique axial à partir du profil mesuré.
Un schéma de calcul MCNP, décrivant le banc de spectrométrie γ dédié, a tout d’ abord été mis au point afin de valider la technique intégrale. Il montre la représentativité à moins de 0.3% du
profil mesuré par rapport à un profil supposé, sur une portion centrale de 600 mm d’ un crayon EOLE et l’ existence d’ erreurs systématiques au-delà cette zone, liées à un dimensionnement non adapté des collimations. La modification du banc n’ étant pas pour l’heure envisageable, la simulation offre la possibilité de post-corriger un profil mesuré, moyennant une puissance de calcul suffisante.
En complément de cette étude, la technique de spectrométrie γ intégrale a été validée par rapport à la spectrométrie γ de pic particulier sur une portion centrale de 400 mm d’ un crayon MINERVE. Cette dernière technique montre son intérêt lors des mesures de taux de fission impliquant de forts gradients et nécessitant une résolution spatiale fine. Pour l’ étude des effets réflecteurs dus à la présence de plexiglas, une erreur de 250% est identifiée aux extrémités de la colonne fissile, lors de la mesure du profil axial par spectrométrie γ intégrale.
Une méthode d’ extraction du laplacien géométrique axial a ensuite été proposée et figée au sein d’ un logiciel de traitement. Au final, l’ allongement des durées de comptage et la combinaison des deux techniques de mesure conduit à une incertitude réduite d’ un facteur 3 sur l’ estimation du laplacien par rapport au passé (soit environ 0.7%).
Enfin, l’ étude a permis de quantifier l’ influence sur les mesures de profil axial de taux de fission total, des erreurs systématiques commises par la correction non optimale du temps mort sur les anciennes chaînes de mesure 2026+PCA3. Elle prouve la sous-estimation de 1 à 3% de tous les
CONCLUSION
Cette troisième partie a permis de quantifier précisément les apports du travail de thèse sur des mesures de distribution radiale et axiale de taux de fission total (i.e. de puissance neutronique) dans un cœur de réacteur. Ces expériences présentent un intérêt capital pour les études de sûreté et pour la définition des marges de conception par l’ industriel.
En terme d’ identification et de correction des erreurs systématiques, le principal bénéfice
de ce travail concerne la maîtrise des pertes de comptage par temps mort, obtenue grâce à l’ utilisation d’ électroniques adaptées et optimisées. L’ amélioration en terme de justesse est de 1 à 12% pour les mesures de recalage de taux de fission (respectivement à partir de la raie γ à 1596.2 keV émise par le lanthane 140 et à partir de la raie γ à 1383.9 keV émise par le strontium 92) et de 1 à 3% pour les mesures de laplacien géométrique axial. L’ une des conséquences de ce travail est la cohérence, obtenue pour la toute première fois, entre des mesures réalisées à partir de plusieurs produits de fission (notamment le lanthane 140 et le strontium 92 à environ 1%, contre 5% auparavant)..
En terme de maîtrise et de réduction des incertitudes, les principales innovations par
rapport au passé concernent la propagation rigoureuse des variances et la définition de méthodes de combinaison de plusieurs résultats de mesure. Un gain d’ un facteur 3 est obtenu par rapport au passé, pour ces deux types de mesure, soit une incertitude d’ environ 0.7% à k = 1.
En terme d’ innovations techniques, l’ étude a permis d’ ouvrir des perspectives nouvelles sur
la mise en œuvre des expériences. Par exemple, la validation du fonctionnement quantitatif des nouvelles chaînes de mesure DSP sur une large gamme de taux de comptage (jusqu’ à 1.5×105 s-1) autorise plus de souplesse dans le choix des produits de fission permettant de mesurer le facteur de recalage et apporte un gain de temps dans la réalisation des campagnes de mesure, pour une même incertitude cible. Ensuite, la mise au point d’ une nouvelle technique de spectrométrie γ intégrale, fonctionnant en mode MCS plutôt qu’ en mode PHA, vise à faciliter le traitement des mesures en regroupant les comptages des positions axiales au sein d’ un seul fichier. Enfin, l’ application, pour la première fois de la technique de spectrométrie γ de pic particulier à la mesure d’ un profil axial de taux de fission, contribue à élargir les possibilités d’ expériences, notamment pour la qualification des effets réflecteurs aux extrémités du combustible.
Au travers des deux études présentées dans cette partie, l’ interprétation par calcul neutronique des paramètres physiques mesurés est parfois pénalisée par des incertitudes à caractère technologiques (cas du réacteur MINERVE). A l’ avenir, les progrès accomplis sur les techniques de mesure auront plus de portés dans des maquettes critiques telles que EOLE où le degré d’ exigence sur la maîtrise des compositions et des caractéristiques géométriques du cœur est nettement plus sévère. Aussi, la réduction des incertitudes obtenue grâce à ce travail, bénéficiera-t-elle directement à la qualification des formulaires de calcul.
En revanche, le réacteur MINERVE est bien adapté aux études destinées à améliorer la connaissance des données nucléaires de base. Les deux parties suivantes de cette thèse vont montrer les possibilités qu’ offre la spectrométrie γ pour la qualification de grandeurs telles que les sections efficaces, les rendements de fission ou les données de décroissance radioactive.