Les particules combustibles constituent la première difficulté de modélisation, puisque qu’elles sont réparties de façon aléa- toire dans la matrice de graphite du compact ou du boulet. Le traitement de cette géométrie requiert une hypothèse sur leur répartition dans la modélisation des cœurs et remet quelque peu en cause l’image de référence absolue des calculs proba- bilistes de type « Monte Carlo* ». Cela est d’autant plus gênant que l’on ne dispose aujourd’hui que de très peu de données expérimentales pour qualifier les outils de calcul. Il est intéressant de noter que le RHT à boulets cumule le pro- blème de la géométrie aléatoire à deux niveaux, celui de la répartition des microparticules dans les boulets et celui de la répartition des boulets dans la cavité réacteur. Ce problème a été abordé au CEA uniquement sur la base de simulations « Monte Carlo » avec le logiciel Tripoli 4 [1](fig. 37). Une com-
paraison avec l’expérience du réacteur chinois HTR-10 a mis en évidence une grande sensibilité des résultats à l’hypothèse faite sur l’arrangement des boulets dans le cœur. En revanche, l’influence du type de modélisation adoptée pour représenter la distribution aléatoire des particules dans la sphère combus- tible a été trouvée faible (inférieure à 100 pcm*).
La nature très fragmentée du combustible réduit le volume des noyaux lourds « cachés » aux neutrons. Elle permet d’at- teindre de très forts taux de combustion que la technologie des particules semble confirmer. Cette caractéristique attrayante ouvre le défi de la maîtrise de l’évolution de la réac-
tivité* et de la prédiction de la composition du combustible
après de longues périodes d’irradiation. Les incertitudes sur les sections efficaces, la propagation de ces incertitudes pen- dant le calcul de l’évolution des compositions, au cours du cycle d’irradiation, le poids de l’absorption par les produits de fission dans le bilan neutronique sont autant de critères qu’il faut traiter avec soin pour ces combustibles pouvant atteindre 70 % de destruction des noyaux lourds initialement présents. Le mode de rechargement continu du combustible à boulets impose, en plus, pour l’estimation de la réactivité du cœur au cours du temps, des calculs simultanés de taux de combustion et de réarrangement du lit de boulets combustibles, à chaque pas d’irradiation de flux.
L’association du graphite et du combustible très fragmenté maximise l’absorption des neutrons dans les résonances des noyaux lourds. Cela rend délicat le choix des hypothèses faites dans le traitement des sections efficaces résonnantes (calculs d’autoprotection*). Les imperfections des modèles d’autopro- tection, conduisant à des incertitudes bien maîtrisées aujour- d’hui dans les calculs de réacteur à eau peuvent se trouver amplifiées dans le cas des RHT.
Par ailleurs, le choix de l’hélium comme caloporteur conduit à de grandes sections de passage du gaz dans le cœur. Ces canaux de gaz représentent des chemins de fuites préféren- tielles (streaming*) pour les neutrons ayant une direction proche de celle de l’écoulement du gaz, l’hélium étant transparent pour eux. Le traitement de ces fuites au niveau des calculs de cœur constitue un des problèmes clé de la modélisation des réacteurs de la filière, notamment pour les canaux dans lesquels sont insérées les barres de contrôle. En revanche, il n’y a pas d’effet en réactivité dû à la vidange du caloporteur dans le cœur.
Contrairement au réacteur à eau, le découplage des paramètres permet- tant de fixer la géométrie de refroidis- sement (porosité du cœur) de ceux conduisant à l’optimum de modération Particule
Boulet
Cœur
neutronique (rapport carbone sur noyaux lourds) confère au RHT une grande flexibilité dans l’utilisation du combustible par l’ajustement du type de particules, de leur taille, de leur taux d’occupation volumique, de l’utilisation de poisons consom- mables… Pour tirer parti de cette flexibilité, on peut être amené à concevoir des configurations de cœur complexes et fortement hétérogènes. Par ailleurs, certains concepts de RHT doivent assurer une évacuation passive de la puissance rési- duelle, ce qui conduit à des cœurs de forme annulaire. La configuration annulaire engendre des variations spatiales de spectre neutronique importantes et, par conséquent, des inter- faces cœur-réflecteur plus difficiles à modéliser. À ces configu- rations de cœurs annulaires fortement hétérogènes (3D), s’ajoutent la présence de barres de contrôle dans le réflecteur et un effet de contre-réaction thermique du réflecteur qui doit être pris en compte. La figure 37 illustre les difficultés de modélisations multi-échelles existantes dans le réacteur annu- laire à blocs prismatiques.
L’ensemble de ces difficultés font du RHT un véritable défi pour la modélisation de la physique de son cœur. Des outils et des méthodes de calcul ont été développés dans le passé. Malheureusement, ces méthodes ont été validées et qualifiées en partie sur des combustibles et des configurations de cœur différents de ceux envisagés aujourd’hui (combustible Th, ura- nium très enrichi, peu de validation en température et sur les cœurs en fonctionnement).
Un schéma de calcul a été développé récemment au CEA sur la base du système SAPHYR, mis au point pour les REP, cou- plé au logiciel CASTEM pour les aspects de contre-réactions thermiques. Ce schéma pourra être utilisé par AREVA pour ses études de conception des RHT[2]. Les éléments de vali- dation au niveau du cœur, sont dans un premier temps, les exercices d’intercomparaison de calculs faits par différentes équipes sur le même cœur, et la comparaison à des calculs de référence du type Monte Carlo. Des confrontations calcul/expérience sont aujourd’hui possibles grâce aux réac- teurs de démonstration japonais HTTR (cœur prismatique) et chinois HTR-10 (cœur à boulets), qui ont divergé respective- ment en 1998 et 2001. Toutefois, ces confrontations ne concer- nent ni les calculs d’évolution de la composition du cœur en fonction de l’irradiation ni les calculs avec prise en compte des contre-réactions thermiques.
En particulier, l’intercomparaison des calculs du démarrage du HTTR (fig. 38) rassemble toutes les difficultés de modélisa- tion de la filière. Elle a permis d’évaluer les capacités du sys- tème SAPHYR à traiter un cœur de RHT compact, fortement hétérogène (poisons consommables, différents enrichisse- ments), en configuration annulaire avec des barres de contrôle dans le réflecteur et d’importants effets de streaming.
Fig. 37. Modélisation des cœurs de RHT à blocs prismatiques.
Section efficace
Particule combustible
Cœur annulaire
Nappe de flux thermique