1.3 Effets du xénon 135
1.3.2 Propriétés de la dynamique couplée
Empoisonnement par le xénon 135
On définit l’empoisonnement π pour un produit de fission comme le rapport de sa section efficace macroscopique d’absorption à celle du combustible, soit
π = Σ P F a ΣU a .
Le xénon 135 ayant une très forte absorption des neutrons thermiques, il est considéré comme un poison important dans les REP : son anti-réactivité est d’environ 2000 pcm dans un REP pour un régime à pleine puissance (puissance nominale) [Bar93].
Xénon à l’équilibre
Lorsque le réacteur a fonctionné un certain temps à puissance constante (environ 35 heures), le xénon et l’iode atteignent une valeur à l’équilibre que l’on peut calculer en intégrant le sys- tème˜(1.1) avec dCI dt = 0 et dCXe dt = 0 : CIeq= γIΣfΦ λI , CXeeq = (γI+ γXe)ΣfΦ λXe+ σXeΦ .
Lorsque le flux est important (Φ > 1014cm−2.s−1), on constate que le niveau de xénon ne dépend plus du flux :
CXeeq ≈ (γI+ γXe) σXe
Empoisonnement après arrêt
Lors d’un arrêt du réacteur, on assiste au bout de quelques heures à un phénomène connu sous le nom de pic xénon. A l’arrêt, l’iode 135 continue à se désintégrer en xénon 135. Le flux neutronique étant à peu près nul, la disparition du xénon par capture neutronique est très faible et sa concentration continue de croître jusqu’à l’épuisement des noyaux d’iode, ce qui marque le maximum de concentration du xénon. Puis sa concentration rediminue pour atteindre une valeur nulle (dans certains cas extrêmes, cela peut prendre jusqu’à 48 heures). La figure1.7illustre ce phénomène. 0 2 4 6 8 10 12 -5 0 5 10 15 20 25 conce n tr ation en 10 15 cm − 3 heures
Empoisonnement après arrêt du réacteur
ARRET DU REACTEUR
iode 135 xénon 135
Fig. 1.7. Évolution de l’iode 135 et du xénon 135 dans un réacteur après arrêt.
Ce pic xénon induit des contraintes de pilotage :
– Si l’on souhaite redémarrer le réacteur pendant ce pic de xénon, il faut s’assurer que l’on dispose de suffisamment de réactivité (grappes de commande à extraire ou marge de dilution de bore par exemple) pour compenser le surcroît d’empoisonnement. Ce problème se pose surtout en fin de campagne lorsque le réacteur ne dispose plus que d’une faible marge de réactivité.
– Le xénon 135 étant sujet à des oscillations axiales, il est avantageux de connaître sa dis- tribution au moment du redémarrage afin de mieux estimer la réactivité nécessaire à apporter.
Oscillations axiales du xénon
Le xénon 135 est connu pour être à l’origine d’oscillations axiales de puissance. Ces oscilla- tions sont invisibles au niveau de la puissance totale mais elles sont indésirables pour la bonne tenue du matériel. Elles ont cependant une période suffisamment longue (plusieurs heures) pour laisser le temps à l’opérateur de les amortir à l’aide des grappes de commande et du bore. On surveille ces oscillations en mesurant le déséquilibre axial de puissance (ou axial offset) défini par
AO = PH − PB PH + PB
1.3. Effets du xénon 135 où PH et PB désignent respectivement la puissance dégagée dans les moitiés haute et basse du
cœur. Lorsque le déséquilibre est positif, cela signifie qu’il y a plus de puissance produite dans la moitié supérieure du cœur.
Lors de transitoires de puissance, des grappes de commande sont insérées partiellement dans le cœur et conduisent à une diminution du flux neutronique dans la moitié haute du cœur. La diminution du flux entraîne quasi immédiatement (quelques secondes) une diminution de la production d’iode. Comme pour l’empoisonnement après arrêt, le réservoir d’iode continue néanmoins à se “déverser” dans le réservoir de xénon. On assiste donc pendant ce temps à une augmentation du xénon. Cette augmentation du xénon entraîne une hausse des absorptions de neutrons et donc une accélération de la diminution du flux et de la production d’iode. Ce phé- nomène d’augmentation de la concentration de xénon dans la partie haute du cœur s’inverse lorsque le réservoir d’iode est quasi vide. Il y a alors une diminution de la concentration xénon ce qui entraîne une diminution des absorptions de neutrons et donc une remontée du flux dans la partie haute du cœur. Cette remontée du flux conduit à nouveau à une production d’iode qui va pouvoir alimenter de nouveau le réservoir de xénon. La baisse de flux se réamorce lorsque la production de xénon est supérieure à sa disparition. Ces oscillations se traduisent par des dés- équilibres axiaux qui perdurent. On illustre, dans la figure1.8, la dynamique de ces oscillations axiales. Les barres sont extraites au tout début de la simulation entre les temps 0 et 100 secondes ce qui amorce un axial offset de puissance positif bien visible au bout de la dixième heure suivi d’une augmentation de l’axial offset de l’iode puis plus tard du xénon en même temps que l’axial offset du flux décroît.
-30 -20 -10 0 10 20 30 0 10 20 30 40 50 axial offse t e n % heures
Dynamique des déséquilibres axiaux de puissance, d’iode 135 et de xénon 135
puissance iode xénon
Fig. 1.8. Dynamique des déséquilibres axiaux (axial offsets) de puissance, iode 135 et xénon 135.
Le développement de ces oscillations est rendu possible d’une part du fait du fort pouvoir d’absorption du xénon et de son rendement élevé et d’autre part du fait de la grande taille du réacteur qui limite la diffusion des neutrons émis dans une moitié du cœur vers l’autre moitié. La fréquence de ces oscillations est pilotée en partie par la période de demi-vie de l’iode et donc par λI (une constante de décroissance plus élevée aurait conduit à une augmentation des fré-
quences et à une baisse des amplitudes des oscillations). Ces oscillations peuvent soit s’amortir (oscillations convergentes), soit s’amplifier pour atteindre un cycle limite. On parle dans ce cas d’oscillations divergentes (cas de la figure1.8). Le caractère stable ou instable de ces oscillations axiales de xénon dépend de nombreux paramètres dont le plus connu est le niveau d’irradiation du combustible (voir [Cho94] et [Son97]). Les oscillations divergentes ne sont jamais observées en pratique puisqu’on casse les oscillations dès qu’elles sont détectées. Une oscillation divergente a cependant été réalisée volontairement en 1982 dans la centrale de Tricastin [Fio01].