Mesure de la réactivité d'un réacteur sous critique à neutrons rapides

Reactivity monitoring in a fast subcritical nuclear reactor

• Auteur / Autrice : Alexandre Bailly
• Direction : Gilles Ban
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/12/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique corpusculaire de Caen (1947-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Annick Billebaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Leconte, Adrien Bidaud, Jean Colin, Jean-Luc Lecouey, Jan Wagemans
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Leconte, Adrien Bidaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Accélérateurs de particules

Réacteurs nucléaires -- Cinétique

Monte-Carlo, Méthode de

Réacteurs à neutrons rapides

Réacteurs nucléaires

Mots clés libres

Réacteurs ADS

Mesure de réactivité

Interruptions programmées de faisceau

Chambres à fission

Simulations Monte Carlo

ADS reactor

Reactivity monitoring

Periodically interrupted

External neutron source

Fast reactor

Fission chambers

Monte Carlo simulations

Résumé

Les réacteurs sous-critiques pilotés par accélérateur pourraient jouer un rôle importantdans les scénarios à double strate, notamment grâce à leur capacité à utiliser des combus-tibles intégrant de grandes quantités d’actinides mineurs. La sous-criticité du réacteur d’unADS en toutes circonstances est un paramètre crucial de la sûreté d’une telle installation.Une stratégie envisagée pour la surveillance de la réactivité des ADS de puissance tels quemyrrha, s’appuie sur deux méthodes complémentaires : d’une part une mesure relativede réactivité à partir du rapport entre l’intensité du faisceau de l’accélérateur et les tauxde comptages de détecteurs de neutrons situés dans le réflecteur ; d’autre part une mesureabsolue de la réactivité, fondée sur l’évolution du taux de comptages des détecteurs lorsd’interruptions périodiques de faisceau.Ce travail de thèse a porté principalement sur l’analyse d’expériences d’interruptionspériodiques de faisceau menées auprès de l’installation guinevere dans le cadre du pro-gramme myracl, né de la collaboration du sck·cen et du cnrs, pour étudier cette mesuredans des configurations représentatives de l’ADS proto-industriel myrrha en phase de dé-marrage, sur une plage en réactivité de -32 à -6 . Pour cela, l’évolution du flux deneutrons a été mesuré à l’aide de chambres à fission dotées de dépôts d’235 U ou d’238 U,ces dernières étant envisagées pour la mesure de la réactivité du réacteur sous-critique demyrrha.Les expériences d’interruptions de faisceau ont de plus été reproduites à l’aide de simula-tions Monte-Carlo dans un modèle simplifié de venus-f, et des facteurs spatio-énergétiquespermettant d’affranchir les mesures expérimentales des effets spatio-énergétiques ont étécalculés. Une nouvelle méthode d’estimation de la réactivité corrigée des effets spatiaux,nommée méthode d’ajustement local, a été employée sur les résultats expérimentaux demyracl. Cette méthode conduit à une estimation robuste de la réactivité avec une incer-titude d’environ 1 à 2%, quel que soit le type de dépôt du détecteur ou son emplacement.Une méthode d’analyse modale Monte-Carlo en développement, basée sur le calculd’une matrice de taux de transition, a également été appliquée à l’étude des effets spatiauxrencontrés lors des expériences myracl. Les résultats obtenus ont montré la complexitédes effets en jeu, impliquant l’interaction entre l’absorbant et le modérateur.Enfin, le déchargement du réacteur venus-f à la fin des expériences myracl a étémis à profit pour réaliser la première phase du projet salmon, dédiée à l’amélioration de la surveillance du chargement des réacteurs nucléaires afin d’éviter des erreurs dechargement. Des expériences de source pulsée ont été menées à différentes étapes dudéchargement, et l’évolution du taux de comptage des détecteurs autour du cœur a étéanalysée à l’aide de la méthode des aires. Les résultats obtenus montrent une fortecorrélation entre la valeur de réactivité mesurée et la valeur de réactivité de référence,conservée tout au long du (dé)chargement pour tous les détecteurs, et ce, malgré deseffets spatiaux de plus en plus importants.

Accelerator-driven subcritical reactors could play an important role in the dual-stratascenarios, particularly because of their ability to use fuels incorporating large quantitiesof minor actinides. The subcriticality of the ADS reactor in all circumstances is a crucialparameter for the safety of such a facility. A strategy envisaged for monitoring the reactivityof power ADSs such as myrrha, is based on two two complementary methods : First, arelative reactivity measurement based on the ratio between the accelerator’s beam intensityand the count rates of neutron detectors located in the reflector ; And second, an absolutereactivity measurement, based on the evolution of the detector count rate during periodicbeam interruptions periodical beam interruptions.This PhD thesis is focused on the analysis of experiments of periodic beam interrup-tions carried out at the guinevere facility in the framework of the framework of themyraclprogram, born from the collaboration of the sck·cen and the cnrs, to to studythis measurement in configurations representative of the proto-industrial ADS in the start-up phase, over a reactivity range from -32 to -6 Ḟor this purpose, the evolution of theneutron flux was measured using fission chambers equipped with deposits of 235 U or 238 U,the latter being considered for the measurement of the reactivity of the subcritical reactorof myrrha.The beam interruption experiments were also reproduced using Monte Carlo simula-tions in a simplified model of venus-f, and space-energy factors were calculated, to freethe experimental measurements from space-energy effects. A new method to estimate thereactivity corrected for spatial effects, named the local fitting method, has been used onthe experimental results of myracl. This method leads to a robust estimation of the reac-tivity with an uncertainty of about 1 to 2%, whatever the type of detector deposit or itslocation.A Monte-Carlo modal analysis method, still under development, has also been appliedto the study of spatial effects encountered in the experiments. The results obtained haveshown the complexity of the effects at stake, involving the interaction between the absorberand the moderator.Finally, the unloading of the reactor at the end of the experiments was used to start the first phase of the salmon project, dedicated to the improvement of the monitoring ofthe loading of nuclear reactors in order to avoid loading errors. Pulsed source experimentswere conducted at different stages of the unloading process, and the evolution of the countrate of different fission chambers around the core was analyzed using the the area methodto extract reactivity values. The results obtained show that a strong correlation betweenthe measured reactivity value and the reference reactivity value is maintained throughoutthe unloading for all detectors, in spite of increasingly important spatial effects.