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Sous criticité



Un régime permis par un appoint des neutrons

La spallation : une source de neutrons
Dans un réacteur hybride, on utilise pour produire des neutrons des réactions complexes, appelées réactions de spallation. A la sortie de l'accélérateur, les protons de haute énergie, heurtent une cible de noyaux lourds comme le plomb. En pénétrant dans le noyau, le proton primaire éjecte tout d'abord quelques nucléons lors d'une cascade de collisions directes (A), dont certains seront à l'origine - avec une énergie moindre - d'autres réactions de spallation (B). Le noyau résiduel, échauffé par la collision (C), se désexcite. Il se fragmente lors d'une fission (D) ou émet quelques protons, neutrons ou particules alpha (E). Au cours des étapes de ce processus complexe, un nombre important de neutrons sont éjectés de la matière nucléaire. Dans une cible de plomb, ce nombre est de l'ordre d'une vingtaine pour des protons de 1 GeV, dont la vitesse approche celle de la lumière.
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Les réacteurs hybrides bénéficient d'un appoint de permanent de neutrons, les neutrons de spallation. Ils peuvent se permettre d'être sous-critiques, un grand avantage en termes de sûreté.

Il est utile de revenir sur la notion de criticité. La criticité k représente le nombre de fissions secondaires déclenchées par une fission primaire. Dans un réacteur sous-critique k est inférieur à 1, alors que pour des réacteurs classiques la criticité est juste égale à 1. Ces réacteurs sont dits critiques, car chaque fission initiale conduit, de génération en génération, à un nombre infini de fissions sans toutefois que le rythme de ces fissions ne prenne un tour explosif : tout l'art du pilotage de ces réacteurs consiste à maintenir ce rythme constant.

Dans un réacteur hybride au contraire, on fonctionne dans un régime où la criticité est légèrement inférieure à l'unité : k=0,98 par exemple. Ce choix offre un bon compromis entre une production d'énergie importante, grâce à l'amplification du nombre de fissions, et une sécurité accrue.

L'écart 1 - k représente le chemin à parcourir pour atteindre le régime où la réaction en chaîne s'entretient indéfiniment. Dans un réacteur classique où cet écart est nul, une réaction de fission initiale est à l'origine d'un nombre pratiquement infini de fissions.

Plus de sécurité
C'est l'existence de neutrons produits avec un retard de quelques minutes qui rend possible le contrôle d'un réacteur classique. Ce délai donne le temps d'actionner des barres d'absorption de neutrons et donc de piloter le système. Pour un réacteur qui fonctionne en régime critique, la fraction des neutrons retardés est une mesure de la marge de sécurité. Cette marge est environ de 0,65 % pour un REP et de 0,4 % pour un système tel que Super-Phenix. La marge pour un « Amplificateur d'Energie » est non seulement plus importante, mais elle n'est pas tributaire des neutrons retardés. Cette marge est de 2% (trois fois supérieure) pour un choix de criticité de 0,98. C'est une caractéristique intrinsèque du système qui tient à la composition du combustible et ne dépend pas de la position de barres de contrôle. (Source J.P.Revol)
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La multiplication des fissions dans un réacteur sous-critique
L'évolution d'une réaction en chaîne sous-critique se compare à celle d'une population qui se renouvellerait incomplètement. Par exemple, pour un taux de renouvellement de 98 %, une population initiale de 100 personnes tombe à 98 au bout d'une génération et ainsi de suite. Quand au bout d'un temps très long, la population restante se retrouve éteinte, chacun des 100 ancêtres initiaux a engendré en moyenne 49 descendants, toutes générations confondues. En appliquant ce raisonnement à la chaîne de fissions déclenchées par une fission primaire, chaque fission initiale aboutit au total à 50 fissions dans le cas d'une criticité de 0,98.
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Dans un réacteur piloté par un accélérateur (ADS), où l'on renonce à l'auto entretien de la réaction en chaîne en raison d'un appoint de neutrons, celle-ci continue néanmoins à multiplier par un facteur substantiel le nombre de fissions et donc le dégagement d'énergie. Cette multiplication est d'autant plus importante que l'écart de criticité est voisin de 0 : par exemple pour k=0.98, chaque fission initiale engendrera au total 50 fissions, dégageant chacune 200 MeV d'énergie.

L'écart entre la valeur 1 et la criticité k représente également la marge de sécurité d'un réacteur hybride. Dans un réacteur critique, où cette marge est nulle, on table pour le contrôle sur l'existence de neutrons produits avec un retard de l'ordre de la minute qui donnent le temps d'actionner des barres de contrôle absorbantes. Cette fraction des neutrons retardés est une mesure de la marge de sécurité. Inférieure au pourcent, elle est environ de 0,65 % pour un REP et de 0,4 % pour un réacteur rapide comme SuperPhenix.

La marge de sécurité d'un ADS qui n'est pas tributaire de neutrons retardés est beaucoup plus confortable. Elle est par exemple de 2 %, 3 à 5 fois plus importante, pour une criticité de 98%. Les variations de criticité étant lentes, cette marge offre une sécurité intrinsèque qui n'existe pas dans les réacteurs classiques : c'est l'intensité du faisceau de protons qui détermine la puissance produite, l'arrêt de ce faisceau impliquant l'arrêt du système.

Documents annexes : Contrôle de réactivité, GUINEVERE