4.4 Étude de transitoires incidentels et accidentels
4.4.2 Insertion de réactivité
Parmi les évènements initiateurs de la famille « insertion de réactivité », listés au chapitre 2, les évènements des catégories incidents et accidents correspondent tous à des insertions de réactivité inférieures à 1000 pcm. La plupart de ces évènements ont de plus une cinétique supérieure à la seconde car ils nécessitent une diffusion due au mouvement du combustible (par exemple, le transport de matière fissile précipité des échangeurs de chaleur vers le cœur). Certains des évènements de la catégorie évènements limitants représentent des insertions de réactivité supérieures, mais ils impliquent alors une déformation importante de la géométrie du circuit combustible (par exemple, une augmentation du volume du cœur) qui n’est pas modélisable avec le code PANDAS. Ils ne seront donc pas détaillés ici.
Afin d’étudier un cas enveloppe de la catégorie des accidents, une insertion de réactivité globale (sur l’ensemble du cœur) de 1000 pcm est réalisée linéairement en 0,1s. Cette insertion de réactivité est effectuée avec les différents modes d’extraction de chaleur du code : le mode puissance extraite imposée à l’échangeur combustible-intermédiaire (P1), le mode puissance extraite imposée à l’échangeur intermédiaire-conversion (P2) et le mode température de l’in-termédiaire imposée en entrée de l’échangeur de chaleur combustible-inl’in-termédiaire (T). Cet exemple, en plus d’être dimensionnant pour les études d’insertions de réactivité, est donné à titre pédagogique avec pour vocation d’expliquer les différences entre les modes d’extraction de chaleur.
Les résultats du transitoire sont présentés sur la figure 4.9. La réactivité affichée ici, ainsi que pour les transitoires des sous-sections suivantes, correspond à la réactivité obtenue grâce
défini par la formule 4.23. Les résultats des transitoires peuvent se découper en quatre zones temporelles : jusqu’à 0,1 s, de 0,1 à 1 s, de 1 s à 10 s et supérieur à 10 s.
t < 0,1 s : L’évolution de la réactivité, de la puissance et de la température moyenne du cœur en début de transitoire, pour les temps inférieurs à la seconde, ne dépend que de la neutronique et de la thermique en cœur. En effet, seul le sel présent dans le cœur est impacté pour des temps très inférieurs au temps de circulation du combustible qui est d’environ 4 secondes. Cela se confirme en observant les températures en branche chaude et froide qui sont stables en début de transitoire. L’évolution première du transitoire est donc équivalente quel que soit le mode d’extraction de chaleur utilisée. L’augmentation de la réactivité conduit à une augmentation de la puissance, avec un pic de puissance maximal aux alentours de 109 GW. Il entraîne un accroissement de la température en cœur. L’insertion est suffisamment importante
et brutale pour mener au régime de sur-criticité prompte (ρ > β). L’élévation importante de la
puissance et de la température qui en résulte permet d’abaisser temporairement la réactivité sous le seuil de criticité prompte jusqu’à ce que les effets des contre-réactions ne deviennent inférieurs à la réactivité insérée donnant lieu à un nouvel accroissement de la réactivité. Ce phénomène d’oscillation autour de la criticité prompte est observé pendant toute la durée de la rampe de réactivité, jusqu’à t = 0,1 s. Un amortissement est visible avec une diminution relativement importante de l’amplitude des oscillations au bout de 0,1 s.
0,1 s < t < 1 s : A la fin de l’insertion, la réactivité et la puissance diminuent grâce aux contre-réactions tandis que la température continue de croître mais avec une pente plus douce. Après quelques dixièmes de secondes un nouveau rebond, de faible amplitude, apparaît. Il est dû au mouvement du combustible entraînant le sel chaud hors du cœur et amenant du sel froid provenant des échangeurs en cœur. Cependant, le sel combustible n’ayant pas encore réalisé un tour de circuit complet, la température du sel en entrée du cœur est constante sur cette période. L’évolution du transitoire est donc toujours équivalente quel que soit le mode d’extraction de chaleur utilisé.
1 s < t < 10 s : Après 1 s, temps caractéristique de déplacement du sel entre les échangeurs et le cœur, le comportement du réacteur dépend du mode de transfert de chaleur choisi.
En effet, vers t ≈ 1 s, le sel chauffé en cœur par l’insertion de réactivité arrive dans les
échangeurs. Dans le mode P1, l’extraction de puissance est constante au niveau de l’échangeur combustible-intermédiaire et égale à 3 GW. Dans les modes P2 et T, l’extraction de puissance
au niveau de ce premier échangeur dépend de la fonction de transfert de chaleurHS∆T. La
température du combustible augmente mais pas celle d’entrée de l’intermédiaire (dans le mode P2 cela est vrai tant que le sel intermédiaire n’a pas effectué un tour complet). Par conséquent,
la fonction HS∆T augmente, de même que la puissance extraite. Le sel combustible dans
l’échangeur de chaleur est donc moins bien refroidi en mode P1 qu’en mode T ou P2. Un
rebond de la température apparaît lorsque ce sel chaud retourne en cœur, vers t ≈ 4s. Il
est logiquement plus important en mode P1 où une température de 1120 K est atteinte. Il entraîne une baisse de la réactivité, là encore, bien plus importante en mode P1 qu’en mode T ou P2.
t > 10 s : Après 10 s, le réacteur se stabilise vers un nouvel équilibre caractérisé par une réactivité nulle. La température finale moyenne du cœur dépend uniquement de la quantité de
4.4. ÉTUDE DE TRANSITOIRES INCIDENTELS ET ACCIDENTELS
réactivité insérée et des contre-réactions thermiques. Une valeur approchée peut être obtenue grâce à un calcul rapide :
Tf inal=Tinitial− ρ
dρ/dt (4.26)
En prenant,Tinitial = 975 K,ρ= 1000 pcm etdρ/dt= -8 pcm/K [34], une température finale
de 1100 K est obtenue. Cette valeur est proche de la température de 1090 K donnée par le code. La puissance finale atteinte dépend du mode d’extraction de chaleur choisi. En mode P1, la puissance redevient identique à la puissance initiale, soit 3 GW, puisqu’elle est imposée par l’extraction de chaleur. L’écart entre les températures en branche chaude et branche froide, d’environ 97 K, est identique en début et en fin de transitoire. En mode T, la température d’entrée de l’intermédiaire dans l’échangeur combustible-intermédiaire est inchangée tandis que la température du combustible est plus élevée en fin de transitoire. La valeur finale de
HS∆T est ainsi plus élevée et la puissance extraite plus importante. Elle s’élève à environ 4,7
GW. Cela se répercute directement sur l’écart entre les températures en branche chaude et
branche froide qui vaut environ 97K×43,7GWGW = 152K en fin de transitoire. La nouvelle
puis-sance d’équilibre dépend du coefficient de transfert thermique H de l’échangeur de chaleur. Par exemple, le calcul de la figure 4.8 a été réalisé avec un coefficient de transfert thermique ajusté sur celui de TFM-OpenFOAM et supérieur à celui utilisé pour le transitoire présenté ici ; il conduit à une puissance finale plus élevée. En mode P2, l’évolution du transitoire, qui suivait celle du mode T pendant les dix premières secondes de transitoires, s’en détache. En effet, le temps de circulation du sel intermédiaire est d’environ 10s. L’extraction de chaleur étant imposée dans l’échangeur intermédiaire-conversion, le sel intermédiaire n’est pas refroidi jusqu’à sa température initiale. Ce sel intermédiaire revient donc avec une température plus élevée dans l’échangeur de chaleur combustible entraînant une baisse de l’extraction de cha-leur. De cette manière, le mode P2 rejoint progressivement le même état final que le mode P1. La période des oscillations visibles sur les courbes de la réactivité, de la puissance et des températures correspond au temps de circulation du circuit intermédiaire.
Rappelons que ce transitoire est un cas enveloppe de par la quantité de réactivité insérée et la rapidité de l’insertion. Il n’est associé à aucun des évènements identifiés au chapitre 2 dans la catégorie des accidents et est plus violent que ces derniers. Pourtant, les températures maximales atteintes pendant le transitoire ne dépassent pas le critère de sûreté et l’intégrité des structures du circuit combustible n’est pas compromise. Toutefois, le circuit n’étant pas dimensionné pour fonctionner à de telles température sur des temps longs, un système ou une procédure doit être prévue pour arrêter le réacteur. De plus, un système pourrait être utilisé pour abaisser la température de criticité en fin de transitoire et la ramener à sa valeur nominale.
D’autres études d’insertions de réactivité pour le MSFR ont été réalisées hors du cadre de cette thèse et sont notamment disponibles dans [40, 34, 113]. Afin de se placer dans un cadre plus contraignant encore mais néanmoins réaliste, il est intéressant de calculer des accidents d’insertions de réactivité à basse puissance, lorsque l’action des contre-réactions thermiques est encore faible. Des transitoires de ce type sont présentés dans [111] dans le cadre de l’étude des accidents d’insertion de réactivité au démarrage du réacteur.
Figure4.9 – Réactivité, puissance, température moyenne coeur et température des branches
chaude et froide en fonction du temps pour un transitoire d’insertion de réactivité de 1000 pcm en 0.1 s
4.4. ÉTUDE DE TRANSITOIRES INCIDENTELS ET ACCIDENTELS