Dans cette partie, la proportion de noyaux lourds dans le sel, modiee precedemment, est xee a sa valeur de reference (12.5%). Il s'agit de faire varier de20% le diametre des canaux, xe a 15 cm dans le cas de reference. La taille des hexagones constituant le cur est conservee, le c^ote d'un hexagone etant toujours xe a 15 cm. La proportion volumique de sel en cur se calcule alors simplement comme le rapport du volume de sel dans un hexagone du cur sur le volume total de ce dernier. Cette proportion est de 30.2% pour un diametre de 15 cm, de 19.4% pour un diametre de 12 cm (- 20%), et de 43.5% pour un diametre de 18 cm (+ 20%).
Modier les volumes relatifs de sel et de graphite dans le cur va aecter le processus de moderation des neutrons, qui se fait essentiellement dans le graphite. Pour s'en convaincre avant d'etudier les consequences neutroniques de la variation de la proportion volumique de sel en cur, detaillons le processus de moderation au demarrage du systeme de reference. Nous nous pla cons a des energies inferieures au seuil de diusion inelastique du 12C, qui se situe a environ 5 MeV, an de limiter notre raisonnement a la seule diusion elastique. Il est pour cela necessaire de rappeler certaines notions concernant la moderation par cette reaction. On denit la perte moyenne d'energie cinetique par choc, notee )
E
, par:)
E
=E
02 (1;a) (4.4)
avec:
{
E
0 l'energie cinetique initiale du neutron { a = (A;1A+1)2 le parametre de collision, A etant le nombre de masse du noyau de recul Dans le cas du graphite, la perte d'energie cinetique moyenne par choc est alors de )
E
E07 , ce qui en fait un moderateur relativement ecace. A titre de comparaison, )
E
vaut E02 dans le cas de l'hydrogene, et E0
105 dans le cas du plomb. A partir d'une energie de reference
E
0, il est commode de denir un autre repere d'energie, qu'on appelle la lethargieu
:u
=lnE
0E
(4.5)Le gain de lethargie )
u
pour passer de l'energie E1 a E2 se denit comme suit: )u
=lnE
1E
2(4.6) On montre alors que le gain moyen )
u
de lethargie par choc, note , ne depend que du parametre de collision a 49]:Le parametre
presente l'avantage de quantier l'ecacite d'une diusion en terme de perte d'energie, et ce independamment de l'energie initiale du neutron diuse. Outre son ecacite, il est necessaire de conna^#tre la frequence d'une diusion, qu'on exprime par le taux de reactionsnormalise par le nombre total de diusions dans le cur par seconde. Le parametre
s. permet ainsi de caracteriser globalement la contribution de chaque noyau diuseur a la moderation des neutrons dans le cur. Outre les noyaux de 12C du graphite, les noyaux diuseurs suivants interviennent dans le sel:7Li,9Be,19F, et232Th dans une moindre mesure. Le tableau 4.4 donne pour chaque noyau diuseur, au demarrage du cur de reference, le facteur de ralentissement a, la section ecace moyenne de diusion elastiques, et le parametres..sel des canaux graphite
7Li 9Be 19F 232Th 12C a 0.563 0.640 0.810 0.983 0.716
0.260 0.207 0.102 0.009 0.158 s (barn) 1.16 5.55 3.71 11.9 4.54 s (%) 1.7 2.0 11.6 3.0 81.7 s. 0.004 0.004 0.012 0.001 0.129Tab.4.4 { Parametres caracterisant le ralentissement des neutrons dans le c ur de reference. La somme des
s. fournit le gain moyen de lethargie global du cur, qui vaut 0.150. Cette valeur globale est proche de celle du12C, qui participe a la moderation des neutrons a hauteur de0:129
0:150 = 86%. On note que la contribution du232Th est inferieure a 1%, celle de l'233U etant quant a elle inferieure a 0.1%. A l'issue de cette etude, il est donc clair que le graphite est le moderateur principal du cur. Neanmoins, dans le cas de reference, la contribution des noyaux legers du sel est loin d'^etre negligeable, et sera modiee par le changement de la proportion sel/graphite. Avant d'observer les eets neutroniques d'une telle modication, il convient d'evaluer une der-niere grandeur interessante caracteristique de la diusion, qui est le libre parcours moyen de diusion
s, inverse de la section ecace macroscopique. Dans le graphite du cur, la section ecace moyenne de diusion s est de 4.54 barn et la densite atomique de 1.15 1023 at/cm3
pour une densite de 2.3 g/cm3, ce qui donne
s= 1.92 cm. Dans le graphite du reecteur radial, s est plus elevee (4.81 barn), ce qui ramene le libre parcours moyen a 1.81 cm. Dans le sel des canaux, la section ecace moyenne totale de diusion est de 3.53 barn, pour une densite de 7.79 1022 at/cm3, soit un libre parcours moyen de 3.64 cm.
Il s'agit a present de redimensionner le systeme pour les deux proportions volumiques de sel encadrant la valeur de reference, en respectant les m^emes contraintes. Le tableau 4.5 resume les caracteristiques principales des trois systemes compares, resultant du processus de dimension-nement sous contraintes. Dans les trois cas, la puissance totale et les epaisseurs des reecteurs
% volumique de sel en cur
diametre des canaux (cm) 19.412 30.215 43.518 rayon et demi-hauteur du cur (m) 2.7 2.3 2.1
nombre de canaux 348 252 198
hauteur des \reservoirs" (cm) 23 31 39 epaisseur cylindrique des \echangeurs" (cm) 8.7 9.6 10.3
volume total de sel combustible (m3) 47.7 46.2 48.0 volume de sel dans les canaux du cur (m3) 21.3 20.5 21.2 volume de sel dans les \reservoirs" (m3) 10.5 10.3 10.8 volume de sel dans les \echangeurs" (m3) 15.9 15.4 16.0
Tab. 4.5 { Caracteristiques geometriques initiales du systeme de 2500 MWth pour les trois proportions volumiques de sel en c ur retenues.
et des protections neutroniques sont inchangees. A partir de ces geometries, nous allons simuler la mise a l'equilibre de ces systemes. Avant de comparer leurs performances sur cette periode, attardons nous sur leurs caracteristiques a t = 0, resumees dans le tableau 4.6.
On remarque d'abord que l'augmentation de la proportion volumique du sel combustible dans le cur durcit le spectre, ce qui se traduit par une diminution des sections ecaces moyennes de capture et de ssion. Ce durcissement s'explique par un eacement relatif du moderateur graphite devant le sel, moins ecace. Les sections ecaces moyennes de diusion restent pra-tiquement inchangees par rapport aux valeurs de reference du tableau 4.4 (variations relatives inferieures a 1%), ce qui signie que les taux de diusion du sel et du graphite sont modies dans le m^eme rapport que leurs proportions molaires en cur. Ceci est la seule cause de modication des contributions des noyaux diuseurs du cur a la moderation, le rapport des ux dans le sel et dans le graphite restant inchange. Le taux de diusion
s sur le graphite du cur, qui est d'environ 82% dans le cas de reference, n'est ainsi que de 73% dans le cas des canaux de 18 cm de diametre, et a l'inverse de 91% avec les canaux de 12 cm de diametre.Interessons nous a present aux inventaires de thorium et d'uranium. L'inventaire total diere legerement d'un cas a l'autre du simple fait des petites dierences dans le volume total de sel. A cause du durcissement du spectre, la proportion initiale d'233U necessaire augmente avec la pro-portion volumique de sel en cur. Pour une propro-portion volumique de sel de 19.4%, l'inventaire initial d'233U diminue de 1.12 t a 1.04 t. Cette diminution est faible si on la compare a l'aug-mentation de 1.12 t a 1.41 t d'233U pour le cur constitue a 43.5% de sel. Ceci laisse presager une production accrue de transuraniens par capture parasite, et par suite une diminution plus rapide du taux de regeneration. L'evolution de la regeneration sera donc suivie au cours de la mise a l'equilibre dans les trois cas, avant de valider pour la suite le choix de reference.
% vol. de sel en cur 19.4 30.2 43.5 diametre des canaux (cm) 12 15 18 keff (0.002) 1.005 1.005 1.002 ux (n.cm;2.s;1) 2.73 1014 3.40 1014 3.98 1014
N
232Th (mol) 2.97 105 2.88 105 2.98 105 232captureTh (barn) 1.85 1.60 1.39 cap232Th (mol/jour) 12.96 13.54 14.24N
233U (mol) 4.46 103 4.80 103 6.04 103 % d'233U dans les NL 1.48 1.64 1.99 233fissionU (barn) 105 78.4 53.3 233captureU (barn) 12.1 9.58 7.03 abs233U (mol/jour) 12.32 12.41 12.53 taux de regeneration 1.05 1.09 1.14Tab. 4.6 { Caracteristiques initiales du sel combustible de reference 70.0% LiF - 17.5% BeF2
- 12.5% (Th/U)F4, pour la proportion volumique de sel en c ur de reference (30.2%) et deux autres proportions l'encadrant (19.4% et 43.5%).
4.1.2 Retraitement
Nous venons de preciser les dimensionnements du cur et du sel combustible retenus pour l'etude de la mise a l'equilibre du systeme. Avant de pouvoir simuler le fonctionnement du reacteur, il reste toutefois a decrire le retraitement en ligne applique. Il s'agit ici de rappeler quelles sont les principales etapes du retraitement du MSBR qu'on choisit de reprendre et de modeliser, en utilisant les techniques introduites au chapitre precedent.