[PDF] PHYSIQUE DU RÉACTEUR 7.1 Puissance thermique puissance

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PHYSIQUE DU RÉACTEUR

INTRODUCTION AU COURS

Ce manuel de formation est destiné à des lecteurs qui ont une connaissance approfondie de la théorie nucléaire. Les connaissances sont appliquées à la physique du réacteur et particulièrement adaptées aux réacteurs CANDU.

Le cours débute avec les principes généraux de la configuration des réacteurs requise pour

permettre une réaction en chaîne auto-entretenue. Il est ensuite question de la dynamique du

réacteur (coeur critique et coeur sous-critique), des effets de rétroaction de la réactivité (effets de

la température, empoisonnement par les produits de fission, et taux de combustion du

combustible) et, enfin, des considérations opérationnelles (à faible puissance et à puissance

élevée).

Le document porte sur quatre grands domaines, subdivisés en huit sections, comme suit : • Réacteur critique à puissance de production électrique stable (Section 1)

• Réacteur dynamique (Sections 2 et 3)

• Effets de rétroaction de la réactivité (Sections 4, 5 et 6) • Fonctionnement du réacteur (Sections 7 et 8) Théorie du réacteur et notions scientifiques fondamentales

Groupe de formation technique

i

TABLE DES MATIÈRES

Page

Objectifs 1

Section 1 - Réacteur critique à puissance de production électrique stable

1.0 Introduction 10

1.1 Fission 11

1.2 Contrôle de la fission 16

1.3 Mouvements des neutrons dans le réseau CANDU 20

1.4 Le réacteur fini 29

Section 2 - Réponse du réacteur critique à un changement de réactivité

2.0 Introduction 34

2.1 Accroissement de puissance exponentiel 35

2.2 Corrections apportées à la réponse exponentielle du réacteur 37

2.3 Effet des neutrons retardés 40

2.4 Criticité instantanée 46

2.5 Décélération de puissance : chute instantanée 47

Section 3 - Réponse du réacteur sous-critique

3.0 Introduction 50

3.1 Flux neutronique dans un réacteur " mis à l'arrêt » 50

3.2 Dynamique du coeur sous-critique 56

3.3 Exemples 63

Section 4 - Effets de la température et de l'expulsion du caloporteur sur la réactivité du coeur

4.0 Introduction 68

4.1 Rétroaction - Effets de la température 68

4.2 Bases physiques des coefficients de température 71

4.3 Coefficients de température 81

4.4 Variation de la réactivité en fonction de la température 86

4.5 Réactivité cavitaire 89

Section 5 - Effets des produits de fission sur la réactivité du coeur

5.0 Introduction 94

5.1 Accumulation de xénon et d'iode 95

5.2 Comportement du xénon transitoire 103

5.3 Oscillations du xénon 116

5.4 Samarium 149 119

Section 6 - Effets de l'irradiation du combustible et du chargement de combustible en régime de puissance sur la réactivité du coeur

6.0 Introduction 124

Théorie du réacteur et notions scientifiques fondamentales

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ii 6.1 Chargement de combustible en régime de puissance 124

6.2 Combustion - Généralités 125

6.3 Changements de réactivité transitoires 129

6.4 Effets à long terme sur la réactivité 129

Section 7 - Fonctionnement du réacteur à faible puissance

7.0 Introduction 140

7.1 Puissance thermique, puissance neutronique et puissance de fission 140

7.2 Réduction de la puissance du réacteur 141

7.3 État d'arrêt 149

7.4 Approche de l'état critique 151

7.5 Fonctionnement à faible puissance suite à un démarrage 160

Section 8 - Fonctionnement du réacteur à puissance élevée

8.0 Introduction 164

8.1 Aplatissement du flux 165

8.2 Détails de la forme du flux 170

8.3 Protection contre les puissances élevées 184

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1 OBJECTIFS

Aux termes de la formation, le participant aura une connaissance plus approfondie des notions suivantes : Réacteur critique à puissance de production électrique stable • Énumérer les produits de la réaction de fission et décrire l'importance de chacun dans l'exploitation d'un réacteur CANDU. • Décrire les caractéristiques des produits de fission, c'est-à-dire leur rendement, leur stabilité, le danger d'irradiation qu'ils présentent, la production de neutrons retardés, et leur capacité à absorber des neutrons. • Identifier les différentes contributions d'énergie qui totalisent environ

200 MeV par fission déposée dans le réacteur.

• Définir les termes suivants :

- facteur de multiplication des cellules unitaires - facteur de multiplication effectif des neutrons. • Décrire le cycle de vie des neutrons pour les processus suivants : - fission rapide de l'uranium 238 - absorption par résonance dans l'uranium 238 - absorption dans les matériaux du coeur autre que le combustible - fission thermique suite à l'absorption dans le combustible - fuite de neutrons. • Définir la réactivité et préciser l'unité de mesure.

• Définir les termes suivants :

- valeur de réactivité - excédent de réactivité du coeur - coeur nominal - réactivité de réglage. Réponse du réacteur critique à un changement de réactivité • Définir le taux-log et la période et préciser le rapport qui existe entre eux. • Décrire la réponse d'un réacteur CANDU à faible puissance face à un faible apport de réactivité positive par paliers. Théorie du réacteur et notions scientifiques fondamentales

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2 • Expliquer l'effet des neutrons retardés sur la régulation du réacteur.

• Définir les termes suivants et préciser dans quel contexte on les rencontre : - saut instantané - chute instantanée. • Décrire le changement de puissance du réacteur suite à une insertion de réactivité positive suffisamment grande pour causer un saut instantané, et expliquer pourquoi la puissance subit une augmentation rapide puis diminue plus lentement. • Décrire le changement de puissance du réacteur suite à une insertion de réactivité négative importante, et expliquer pourquoi la puissance chute d'abord rapidement, puis diminue plus lentement. • Définir la criticité instantanée, expliquer comment elle survient et préciser l'insertion de réactivité approximative requise pour la causer.

Réponse du réacteur sous-critique

• Définir le facteur de multiplication sous-critique. • Expliquer comment la multiplication sous-critique d'une source de neutrons dans un coeur sous-critique cause : - un niveau de puissance stable observable qui est supérieur à la source - un changement du niveau de puissance après un changement de réactivité qui laisse le coeur sous-critique. • Décrire le taux de réponse à un changement de réactivité dans un coeur sous-critique. • Indiquer comment et pourquoi la réponse dynamique change entre un état de réacteur fortement sous-critique et un état de réacteur presque critique. Effets de la température et de l'expulsion du caloporteur sur la réactivité du coeur • Définir les coefficients de température pour : - le combustible - le modérateur - le caloporteur. • Donner les températures d'exploitation courantes pour le combustible, le modérateur et le caloporteur et la plage approximative des températures observées entre l'arrêt froid et la pleine puissance. Théorie du réacteur et notions scientifiques fondamentales

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3 • Expliquer comment la dilatation thermique du modérateur agit sur :

- la longueur de trajectoire des neutrons dans le modérateur - la fuite hors du coeur. • Expliquer comment la vitesse moléculaire causée par le chauffage agit sur : - l'absorption par résonance dans l'uranium 238 (élargissement

Doppler et auto-blindage)

- le spectre des neutrons thermiques - la longueur de trajectoire des neutrons thermiques. • Décrire comment les changements qui surviennent dans la température des neutrons thermiques influent sur l'absorption par : - l'uranium 235 - le plutonium 239. • Expliquer l'effet sur la réactivité causé par un changement de la température du : - combustible - modérateur - caloporteur. • D'après les valeurs courantes des coefficients de réactivité du modérateur, du caloporteur et du combustible, calculer le changement de réactivité pour des opérations courantes, incluant : - un réchauffement du circuit caloporteur de l'état froid à la puissance zéro chaude - l'augmentation de la puissance unitaire de la puissance zéro à la pleine puissance - la diminution de la puissance unitaire de la pleine puissance à la puissance zéro.

• Définir le coefficient de puissance.

• Comparer l'importance des changements de réactivité dus au modérateur, au caloporteur et au combustible pour un changement donné dans la puissance du réacteur en faisant référence : - au coefficient de température - au changement de température - au temps qui s'écoule avant que l'effet se manifeste. • Décrire l'effet du coefficient de puissance CANDU courant sur : - la régulation normale Théorie du réacteur et notions scientifiques fondamentales

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4 - le transitoire de puissance suite à une fluctuation.

• Définir le terme " réactivité cavitaire ». • Expliquer comment l'expulsion du caloporteur augmente le facteur de fission rapide et diminue simultanément la capture par résonance. • Décrire comment la température des neutrons thermiques change lors de l'expulsion du caloporteur et expliquer les effets de ce changement sur le taux de fission. • Expliquer comment la réactivité cavitaire mène à un abaissement de la limite des isotopes présents dans le modérateur. • Expliquer la nécessité d'une limite supérieure pour la teneur en isotopes du caloporteur. Effets des produits de fission sur la réactivité du coeur • Définir le terme produit de fission agissant comme poison. • Donner les caractéristiques du xénon 135 qui en font un produit de fission important pour le fonctionnement du réacteur. • Décrire les processus nucléaires dans le combustible qui permettent : - de produire de l'iode 135 et du xénon 135 - d'enlever l'iode 135 et le xénon 135. • Définir la charge de xénon et la charge d'iode. • Expliquer les formes de flux données pour : - la charge d'iode en fonction du temps - la charge de xénon en fonction du temps - lors d'un démarrage après un arrêt prolongé. • Décrire l'accumulation de xénon après un arrêt brusque du réacteur. • Préciser les problèmes opérationnels que cause le xénon lorsque le réacteur s'arrête brusquement.

• Expliquer les termes suivants :

- empoisonnement - opération de prévention de l'empoisonnement - capacité de dépassement de l'empoisonnement - durée du dépassement de l'empoisonnement - décision et temps d'intervention. Théorie du réacteur et notions scientifiques fondamentales

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5 • Expliquer les caractéristiques suivantes du changement de réactivité

suite à un arrêt brusque du réacteur alors qu'il était exploité à pleine puissance : - taux initial d'accumulation du xénon - pointe - diminution éventuelle de la concentration de xénon. • Préciser le temps approximatif que met le xénon à atteindre un maximum et la valeur de réactivité approximative du xénon à son maximum en cas d'arrêt brusque du réacteur à la pleine puissance avec le combustible à l'équilibre. • Comparer l'importance des pointes du transitoire suite à un arrêt brusque du réacteur dans des conditions d'équilibre pour un arrêt à la pleine puissance et un arrêt à un faible niveau de puissance. • Expliquer le transitoire de puissance qui suit un changement dans la puissance du réacteur pour un intervalle de puissance élevée. • Décrire comment le transitoire de réactivité est contrebalancé après un retour à la puissance : - avant un empoisonnement - après un empoisonnement.

• Définir les termes suivants :

- oscillation du xénon - inclinaison du flux. • Expliquer pourquoi les grandes oscillations sont inacceptables. • Décrire comment les oscillations sont contrôlées dans les réacteurs

CANDU.

• Expliquer comment un petit changement de réactivité locale peut causer une forte inclinaison du flux dans un réacteur exploité à puissance élevée sans contrôle spatial adéquat. • Décrire comment l'inclinaison du flux change en fonction du temps si le phénomène n'est pas contrôlé. • Expliquer pourquoi une oscillation non contrôlée peut se poursuivre indéfiniment. • Donner les caractéristiques du samarium 149 qui en font un produit de fission agissant comme poison. • Décrire comment les processus nucléaires dans le combustible : - produisent du Pm 149 et du Sm 149 - éliminent le Pm 149 et le Sm 149. Théorie du réacteur et notions scientifiques fondamentales

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6 • Comparer les effets opérationnels du samarium avec ceux du xénon

pour ce qui est : - de l'accumulation initiale - du transitoire suite à un arrêt brusque ou une mise à l'arrêt du réacteur - du retour à l'équilibre suite à un redémarrage - des transitoires aux changements de puissance. Effets de l'irradiation du combustible et du chargement de combustible en régime de puissance sur la réactivité du coeur • Donner les principales caractéristiques du chargement de combustible en régime de puissance dans le but de maintenir la réactivité du coeur.

• Définir les termes suivants :

- combustible neuf - combustion - réacteur alimenté à l'équilibre. • Préciser et expliquer les unités de la combustion. • Décrire le changement transitoire dans le Pu 239 suite à un arrêt à puissance élevée, et suite au retour à la puissance élevée après une mise à l'arrêt. • Définir les termes " produits de fission de saturation » et " produits de fission de non-saturation » et comparer leurs effets à long terme sur la valeur de réactivité d'une grappe de combustible. • Décrire les changements qui surviennent dans la composition d'une grappe de combustible lorsqu'elle est exposée à un flux neutronique dans le coeur. • Dans un graphique représentant le changement de réactivité d'une grappe de combustible en fonction de l'irradiation, expliquer l'allure du graphique en faisant référence à : - la combustion de l'uranium 235 et à la croissance du plutonium 239 - l'accumulation de plutonium 240 et de plutonium 241 - l'augmentation des produits de fission. Fonctionnement du réacteur à faible puissance • Préciser et expliquer les raisons de la non-linéarité entre les changements dans la puissance neutronique et les changements dans la puissance thermique du réacteur. Théorie du réacteur et notions scientifiques fondamentales

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7 • Expliquer l'ampleur et la durée de la chute instantanée d'après une

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