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Informations sur la spallation d'intérêt pour un réacteur hybride

1.1- Schéma d’un réacteur hybride

Partons du schéma d’un réacteur hybride (Fig 1). Le faisceau de l’accélérateur (typiquement

des protons de 1 GeV avec des intensités de 20 mA à 100 mA) est arrêté par une cible

massive de matériaux lourd (Pb-Bi, W ou Hg) et produit par spallation de 25 à 30 neutrons

par proton incident. Ces neutrons vont agir sur le réacteur sous critique comme une source

externe permettant ainsi d’atteindre la criticité. Il est donc de première importance de

caractériser cette source de neutrons pour le réacteur (nombre de neutrons, spectres en énergie

et en angle d’émission). Ceci demande une connaissance des sections efficaces doublement

différentielles pour les protons à l’énergie du faisceau sur les noyaux utilisés pour la cible,

mais aussi pour les réactions secondaires (essentiellement les protons, neutrons et pions

produits lors des réactions précédentes, donc à des énergies de plus en plus basses).

Le faisceau de protons traverse inévitablement une fenêtre de séparation entre le vide dans

l’accélérateur et le milieu ambiant dans le réacteur. Cette fenêtre est une des difficultés des

réacteurs hybrides car elle doit tenir mécaniquement malgré la fragilisation induite par le

faisceau intense de protons. Selon le type de concept elle peut être plus ou moins proche du

réacteur. Elle peut être alors soumise également au flux des neutrons de la cible de spallation

et du réacteur. Elle est même parfois au contact avec la cible de Pb-Bi fondu ce qui ajoute les

problèmes de corrosion par le plomb.

Fig 1 :

Schéma de principe d’un réacteur hybride.

Les réactions de spallation

dues au faisceau sont

inévitables et donc à

étudier. Les choix

technologiques sont des

aciers dans lesquels les

noyaux principaux sont le

fer, le nickel et le chrome.

Ces matériaux entreront

également dans la

fabrication du conteneur

de la cible de spallation

(Pb-Bi fondu par

exemple). Les neutrons

émis par la cible de

spallation peuvent atteindre plusieurs centaines de MeV et induire des réactions de spallation

dans le conteneur, dans les matériaux de structure du réacteur (métaux légers comme

l’aluminium) et dans la partie combustible (métaux lourds, actinides) induisant de ce fait des

fissions de haute énergie.

Une bonne connaissance de la spallation permet de connaître la nature et la quantité des

noyaux résiduels produits dans la cible, la fenêtre et les structures. Ceci permet de connaître

les quantités et nature d’impuretés chimiques accumulées et l’activation des structures

(décroissances radioactives des isotopes produits). Aux effets chimiques s’ajoute la

fragilisation des matériaux. Il est possible de mesurer et de calculer l’énergie de recul des

intense faisceau de protons flux de neutrons extraction Alimentation Produits stables Vers réseau d’énergie en déchets

accélérateur

cible de spallation

en métal lourd Sortie par lot et/ou chimiques avancées séparations énergie électrique de transportboucle

Réacteur

sous critiq

à vie longue

ue

ou à vie courte

noyaux résiduels de spallation qui contribue fortement à cette fragilisation des structures

cristallines et de donner des valeurs réalistes de DPA (nombre de déplacements par atome

dans des conditions données).

Enfin la production de gaz en particulier d’hélium non soluble dans les métaux doit être bien

connue. La formation de tritium est à prendre en compte pour la radioprotection. Ces gaz

peuvent former des bulles dans l’épaisseur des structures et contribuer à leur fragilisation.

1.2- Energies des particules incidentes

Quelle énergie pour les particules incidentes ? Le choix autour de 1 GeV pour le faisceau de

protons de l’accélérateur vient de l’optimisation du nombre de neutrons produits. Si on trace

le nombre de neutrons produits par proton en fonction de l’énergie des protons ce nombre ne

cesse de croitre (Fig 2 haut). Cette courbe s’infléchit cependant en s’écartant de plus en plus

d’une croissance linéaire car avec l’énergie, les seuils de production de mésons de plus en

plus lourds sont dépassés, et une part croissante de l’énergie du faisceau se perd dans ces

réactions. Il est plus réaliste de tracer le nombre de neutrons produits par unité d’énergie

(Watt) du faisceau. On voit alors (Fig 2 bas) que l’on obtient le nombre maximum de neutrons

par Watt dépensés dans le faisceau entre 0.8 GeV et 1.6 GeV. Ce maximum est assez plat et

dépend évidemment un peu de la nature, mais surtout de la géométrie de la cible de

production.

Fig 2 :

Evolution typique de la multiplicité des neutrons par proton incident (haut) ou par unité d’énergie dans le faisceau (bas) en fonction de l’énergie du faisceau de protons sur une cible épaisse de plomb.

Les arguments économiques ont tendance à tirer

la valeur retenue vers les basses énergies. Il

semble actuellement douteux que l’on conçoive

des systèmes à plus de 1.6 GeV.

Une étape intermédiaire passe par un

démonstrateur d’énergie inférieure.

Actuellement le projet MYRRHA (faisceau de

350 MeV qui pourrait être ensuite porté à 600

MeV) en Belgique semble réaliste et

prometteur.

Pour l’application aux réacteurs hybrides,

l’étude de la spallation est donc justifiée jusqu’à

une énergie de 1.6 GeV environ et à toutes les

énergies inférieures pour des protons et des

neutrons incidents pour les réactions

secondaires dans les cibles épaisses.

En détaillant les caractéristiques de la spallation,

il faut ajouter pour les réactions secondaires les

réactions induites par des pions entre ~20 MeV et ~600 MeV et les réactions induites par des

ions légers (du deuton aux alphas) jusqu’à 150 MeV environ.

P beam on a thick Pb target

0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Proton kinetic energy (GeV)

Mn/p 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Proton kinetic energy (GeV)

(Mn/Watt)*10