Pr´ esentation de Ph´ enix et des essais de gerbage

d’ailleurs identifi´e V `a la vitesse des neutrons, au lieu de la vitesse relative entre noyaux et neutrons. L’hypoth`ese sous-jacente, tr`es g´en´eralement v´erifi´ee, est que la vitesse des neutrons est tr`es grande devant celle de la mati`ere (plus pr´ecis´ement, l’´ecart est petit devant l’´epaisseur des r´esonances des r´eactions nucl´eaires). En toute rigueur, il faudrait par exemple prendre en compte la vitesse d’´ecoulement du caloporteur dans les ´equations neutroniques. Pour ˆetre complet, notons tout de mˆeme que la part de la vitesse des noyaux due `a l’agitation thermique (`a moyenne nulle), qui elle n’est pas n´egligeable, est prise en compte par la d´ependance des sections efficaces microscopiques `a la temp´erature (´elargissement des r´esonances qui m`ene `a l’effet Doppler).

Nous supposons, dans le cadre de cette th`ese, cette hypoth`ese valide. La vitesse de la mati`ere n’intervient donc pas dans nos ´equations.

Sur cette question, les travaux de Wienke font r´ef´erence [128, 129, 130, 131, 132]. Il y a deux grandes approches, qui sont toutes deux trait´ees par Wienke. L’approche Lagrangienne qui consiste `a ´ecrire les ´equations dans le r´ef´erentiel du laboratoire, ce qui conduit `a adapter les sections efficaces. La difficult´e est qu’elles deviennent alors toutes anisotropes. La seconde approche, dites Eul´erienne, consiste `a ´ecrire les ´equations dans un r´ef´erentiel mobile. Elles doivent alors ˆetre adapt´ees. L’approche Eul´erienne pour l’´etude du transport de neutrons pen- dant l’effondrement d’une ´etoile `a neutrons a ´et´e reprise r´ecemment [7, 35].

6.4

Pr´esentation de Ph´enix et des essais de gerbage

Nous pr´esentons ici le r´eacteur Ph´enix et les essais de gerbage qui ont ´et´e utilis´es pour tester les m´ethodes pr´esent´ees dans cette partie de la th`ese. Une pr´esentation compl`ete du r´eacteur et des enseignements que l’on peut tirer de son exploitation peut ˆetre trouv´ee dans [47].

6.4.1 Ph´enix et les AURN

Ph´enix est un r´eacteur exp´erimental `a neutrons rapides, refroidi au sodium, de 563MWth, construit dans les ann´ees 70 `a Marcoule. Il a ´et´e arrˆet´e d´efinitivement en 2010. Le cœur du r´eacteur est compos´e de six couronnes d’assemblages fissiles (en plus de l’assemblage central), de deux de fertiles et de six de r´eflecteurs ou protections neutroniques, comme sur la figure 6.1.

Figure 6.1 – Coupe radiale du cœur de Ph´enix. Illustration issue de [88]

Chaque assemblage (voir figure 6.2) est constitu´e d’un tube hexagonal en acier, rempli d’aiguilles cylindriques dispos´ees selon un r´eseau hexagonal. Les aiguilles sont elles-mˆemes constitu´ees d’une gaine en acier contenant le combustible nucl´eaire sous la forme d’un oxyde mixte (U/Pu)O2. Du sodium circule entre les aiguilles et entre les assemblages.

6.4 Pr´esentation de Ph´enix et des essais de gerbage 71

Figure 6.2 – Coupe radiale sch´ematique d’un assemblage typique de RNR-Na

A la fin des ann´ees 90, le r´eacteur a connu 4 arrˆets d’urgence par r´eactivit´e n´egative (ou AURN). Cela signifie que la r´eaction en chaine a ´et´e arrˆet´ee automatiquement parce qu’on a d´etect´e une diminution non pr´evue de la puissance. Ces arrˆets d’urgence sont intervenus pendant la mont´ee en temp´erature du r´eacteur et un ´ebranlement des structures, ainsi qu’un pic de pression, auraient ´et´e mesur´es dans le mˆeme temps. L’´evolution du signal neutronique mesur´e pendant un de ces AURN a ´et´e donn´e figure 1.2. La puissance y chute brutalement, en 50ms, `a 72% de sa valeur nominale, avant d’osciller avec une p´eriode d’environ 100ms. Les syst`emes d’arrˆet d’urgence interviennent `a partir de 200ms et ´eteignent le r´eacteur.

Ces transitoires ne sont pas encore bien expliqu´es, mais on pense `a l’heure actuelle qu’ils ont pu ˆetre caus´es par un d´eplacement des assemblages (voir par exemple [118, 119]).

6.4.2 Description des essais statiques et r´esultats exp´erimentaux

Pour avancer dans la compr´ehension des AURN, et pour pouvoir ´etudier le mouvement des assemblages de Ph´enix, tant du point de vue m´ecanique que de leur r´epercussion en neutronique, des exp´erimentations ont eu lieu en 2009 et 2013. En 2009, on a r´ealis´e des gerbages statiques du cœur de Ph´enix, qui consistaient `a remplacer un assemblage combustible par un dispositif ´ecarteur, poussant sur les assemblages voisins. Des mesures de r´eactivit´e ont ´et´e faites en mˆeme temps. En 2013, des gerbages dynamiques ont ´et´e r´ealis´es avec un effacement rapide du dispositif ´ecarteur et une mesure des d´eplacements des assemblages pendant leur retour en position d’´equilibre. Cette fois-ci cependant, aucune mesure neutronique n’a ´et´e r´ealis´ee pendant les essais. Nous nous sommes donc concentr´es sur l’essai de gerbage statique qui nous a permis de nous confronter `a l’exp´erience.

Soulignons le fait que les essais, qu’ils soient statiques ou dynamiques, ont ´et´e r´ealis´es avec des assemblages combustibles qui avaient d´ej`a servi, et qui ´etaient donc d´eform´es du fait de leur irradiation. Ces d´eformations pr´ealables aux essais sont mal connues mais sont susceptibles d’en influencer les r´esultats.

Trois configurations ont ´et´e ´etudi´ees pendant l’essai de gerbage statique : 1. Dispositif ´ecarteur au centre, 350˚C ;

2. Dispositif ´ecarteur au centre, 180˚C ;

3. Dispositif ´ecarteur en 5eme couronne, 180˚C.

Le mˆeme essai a ´et´e r´ealis´e `a deux temp´eratures diff´erentes pour pouvoir prendre en compte diff´erents ´etats de compacit´e du cœur, caus´es par les dilatations diff´erentielles du sommier et des boitiers hexagonaux. Le cœur devrait ainsi ˆetre plus compact `a 180˚C qu’`a 350˚C.

La figure 6.3 illustre le type de modification de g´eom´etrie qu’induit un gerbage central. Le volume du cœur augmente, ce qui augmente les fuites neutroniques. On introduit ´egalement plus de sodium dans le cœur, ce qui am´eliore la mod´eration. Ces deux effets vont dans le sens d’une diminution de r´eactivit´e.

Figure 6.3 – Modification de la g´eom´etrie du coeur lors d’un gerbage central.

La figure 6.4 illustre le vocabulaire que nous utiliserons. Les tubes hexagonaux sont des structures en acier, ferm´ees, qui contiennent les aiguilles de combustible. Sur ces tubes des petites plaquettes en acier ont ´et´e fix´ees `a une hauteur donn´ee, pour empˆecher les assemblages de se toucher et de gˆener ainsi l’´ecoulement du sodium inter-assemblage. La distance nominale entre les plaquettes est ce que l’on nommera le jeu.

6.4 Pr´esentation de Ph´enix et des essais de gerbage 73

Figure 6.4 – Sch´ema de tubes hexagonaux.

On dispose de trois mesures :

1. Les efforts exerc´es par le dispositif ´ecarteur ;

2. Les d´eplacements d’un assemblage de 5eme couronne ; 3. La r´eactivit´e.

Les efforts mesur´es, par le dispositif ´ecarteur, pendant la phase de chargement des gerbages centraux sont donn´es, approximativement, en figure 6.5, en fonction du d´eplacement des pla- quettes du dispositif ´ecarteur. On constate qu’`a d´eplacement donn´e, les efforts sont d´ecroissants avec la temp´erature.

Figure 6.5 – Efforts mesur´es pendant l’essai de gerbage statique central.

Les sonars mesurant les d´eplacements ont mal fonctionn´e, et on ne dispose que de mesures de d´eplacement d’un assemblage de 5`eme couronne, et uniquement en configuration 1 et 3. On n’a donc pas de comparaison possible du mˆeme essai `a deux temp´eratures diff´erentes. Les mesures de d´eplacement de l’essai de gerbage central `a 350˚C, sont donn´ees figure 6.6. On constate qu’il y a un certain retard `a la transmission du mouvement entre la 1`ere et la 5`eme couronne, qui peut ˆetre interpr´et´e comme le d´elai de fermeture des jeux inter-assemblages.

Figure 6.6 – D´eplacement mesur´e d’un assemblage de 5`eme couronne pendant le gerbage statique `a 350˚C.

Enfin, nous disposons de mesures de r´eactivit´e pour les trois configurations, en fonction du d´eplacement des plaquettes du dispositif ´ecarteur, dont les tendances sont donn´ees figure 6.7. Comme on s’y attendait, l’effet du gerbage est n´egatif. Le comportement semble asymp- totiquement lin´eaire, avec une phase de transition o`u l’effet est moindre. Contrairement `a ce qu’on pouvait penser, l’effet en r´eactivit´e est proche `a 350˚C et `a 180˚C. Il semble donc que la compacit´e du cœur n’ait pas beaucoup chang´e, bien que les efforts mesur´es diminuent avec la temp´erature.