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Contrôle de réactivité



MUSE : une expérience préliminaire

Pour que les réacteurs hybrides puissent voir le jour, il est nécessaire d'en valider les concepts avec une série de programmes de recherches. Par exemple, pouvoir mesurer la réactivité d'un système hybride est important : sa sûreté dépend du degré de sous-criticité du réacteur. Une expérience, dans le cadre du programme MUSE (MUltiplication de Source Externe) a permis de montrer la faisabilité d'une telle mesure dans un état non critique, sans arrêter le réacteur et sans en changer la configuration.

Pilotage du réacteur par une source de neutrons
Test de pilotage du réacteur MASURCA montrant comment sa puissance varie quand l'intensité la source externe de neutrons est modulée. Quand le réacteur est alimenté durant 200 secondes à raison de 4000 impulsions de neutrons par seconde (Hz), sa puissance est de 26 watts. Cette puissance descend à 2 watts, les 200 secondes suivantes, quand le réacteur est alimenté seulement 300 fois par seconde. La chute de puissance d'abord brutale, finit progressivement en raison des neutrons retardés.
LPSC-Grenoble
Dispositif de l'expérience MUSE
Coupe de MASURCA montrant le dispositif. On distingue les zones du combustible, du réflecteur de neutrons (zone entourant le cœur, constituée d'un mélange de sodium et acier - Stainless Steel - NaSS), et l'écran de protection biologique (constitué d'acier - Stainless Steel). La source de neutrons GENEPI couplée au réacteur joue le rôle de l'accélérateur d'un système hybride. Petit réacteur expérimental de faible puissance, MASURCA est à l'origine une maquette de Superphenix. De ce fait, son combustible est à base d'uranium et de plutonium. Il contient du sodium sous forme solide pour simuler le sodium liquide qui évacue la chaleur dans Superphenix.
LPSC-Grenoble
Le réacteur et la source de neutrons
Vue éclatée du réacteur expérimental MASURCA couplé au générateur de neutrons pulsés intense GENEPI. Les neutrons (2 millions par impulsion) de 14 MeV sont créés au centre du combustible. Les dimensions du cœur sont 0,70 x 0,70 x 1,0 m3. Les comptages neutroniques sont réalisés grâce à la possibilité d'insérer des compteurs dans des canaux de mesure verticaux, non visibles sur la figure.
LPSC-Grenoble
Cette expérience a été conduite par le laboratoire de physique des réacteurs du LPSC Grenoble, dans le réacteur MASURCA du CEA à Cadarache. Il s'agit d'un réacteur expérimental de faible puissance, rendu sous-critique en retirant la proportion voulue de barres de combustible. Une source de neutrons, GENEPI (GEnérateur de NEutrons Pulsés de forte Intensité), développée à Grenoble joue le rôle de l'accélérateur d'un système hybride. Les neutrons de 14 MeV émis par la source ressemblent aux neutrons qui seraient issus d'un processus de spallation. La source est dite pulsée car elle émet de très brèves bouffées ou impulsions de neutrons.

La durée de ces impulsions est d'un millionième de seconde (1µs) et la mesure consiste à mesurer le flux de neutrons dès la première génération de la réaction en chaîne.

Pour évaluer le degré de sous criticité, on mesure la rapidité avec laquelle le flux de neutrons diminue immédiatement après une de ces impulsions. En effet, la réaction en chaîne n'étant pas soutenue, le nombre de neutrons décroît de génération en génération. Plus le fonctionnement du réacteur est sous-critique, plus la décroissance du flux est rapide. Le temps entre générations est de l'ordre de 0,6µs en ce qui concerne les neutrons prompts, émis directement pendant les fissions. On mesure là ce que l'on appelle la réactivité prompte.

La réactivité du réacteur a été mesurée pour trois configurations correspondant à des valeurs du niveau de criticité comprises entre 0,95 et 0,994. Les résultats se sont avérés en excellent accord avec les mesures réalisées avec des méthodes de référence/classiques.

Dans un système hybride, le réacteur est alimenté en neutrons par le bombardement d'une cible de spallation par un faisceau de protons énergétiques. La mesure de la réactivité décrite ci-dessus pourrait être effectuée « en ligne », en supposant que l'on puisse interrompre momentanément l'arrivée des protons sur la cible de spallation, afin d'observer la décroissance du flux de neutrons prompts dans le réacteur en l'absence de source externe.

Après une coupure de l'alimentation en neutrons
Les courbes montrent la décroissance très rapide du flux de neutrons après la coupure de l'alimentation en neutrons. C'est l'analyse de ces courbes qui permet d'évaluer la criticité. La mesure a été effectuée pour trois configurations correspondant à des valeurs de la criticité comprises entre 0,95 et 0,994. Pour vérifier la sensibilité de la technique, deux mesures ont été faites pour chaque configuration, avec et sans barre de pilotage abaissée. La présence ou l'absence de la barre de pilotage dans le flux de neutrons est d'autant plus marquée que le réacteur est proche de la criticité.
LPSC-Grenoble
La réactivité prompte varie du fait de la variation de la composition du combustible liée aux transmutations induites dans celui-ci par des captures neutroniques. C'est un processus lent qui nécessite un suivi de réactivité avec une périodicité de l'ordre de quelques semaines, à définir par les autorités de sûreté.