De la fission aux nouvelles filiÃ¨res - Cenbg - IN2P3

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5.2 Effet réactif de température Différents phénomènes physiques seront responsables pour que la réactivité varie, lors d'un changement de température. Ces coefficients de réactivité seront aussi différents selon que cela concerne un réacteur thermique ou rapide. Nous allons ici dans le cadre de ce cours nous limiter à la description des coefficients de température de réacteurs thermiques étant donné que les réacteurs thermiques constituent la plus grande partie du parc des réacteurs nucléaires. Pour avoir une meilleure idée sur les facteurs physiques qui déterminent les coefficients de réactivité, nous allons déterminer le coefficient de température isothermique. Le coefficient de température isothermique détermine la variation de réactivité totale pour un changement spécifique de température dans le cas où la température est uniforme dans tout le réacteur. Le coefficient de température isothermique est donné par: dρ 1 dkeff 1 dkeff = ≈ (96) 2 dT k dT k dT Avec T : la température du réacteur. eff En utilisant la définition du facteur de multiplication effectif, le coefficient de température isothermique peut être écrit comme : dρ 1 dPf 1 dP th 1 dε 1 dp 1 df 1 dη ≈ + + + + + (97) dT P dT P dT ε dT p dT f dT η dT f th En général, on peut admettre que les fuites de neutrons augmentent avec l'augmentation de température et donc donne une contribution négative au coefficient de température isothermique. Vu que la valeur de cette contribution est négligeable en comparaison aux autres termes, on admet que: dPf ≈ 0 dT (98) dP th ≈ 0 dT Vu que l'influence de la température sur le facteur de fission rapide ε est négligeable on peut sans problème admettre que: dε ≈ 0 (99) dT Le terme attribuable à la variation du facteur de rendement neutronique en fonction de la température donne généralement une contribution négative au coefficient de température, ce qui est certainement le cas pour le plutonium 239. Etant donné que la valeur de ce terme est petite par rapport aux autres termes nous pouvons adopter: dη ≈ 0 (100) dT Tenant compte d'évaluations précédentes, nous arrivons pour l'expression du coefficient de température isothermique à : d ρ 1 dp df ≈ + 1 (101) dT p dT f dT Etant donné que dans la plupart des réacteurs thermiques, le combustible et le modérateur sont séparés, une distinction peut être faite entre un coefficient de réactivité de température pour le eff 104
combustible d F dT ρ et un pour le modérateur dρ M dT . En outre le temps qui est nécessaire pour induire une variation de réactivité suite à un changement de température, pour le combustible et le modérateur sont clairement différents. La constante de temps pour le combustible est beaucoup plus courte que celle du modérateur, vu que la chaleur est générée dans le combustible et que la transmission de chaleur dans le combustible vers le modérateur demande un certain temps. C'est pourquoi on appelle aussi souvent le coefficient de température pour le combustible, le coefficient de température rapide et le coefficient de température du modérateur, le coefficient de température retardé. Vu que l'effet de la température sur le combustible est attribuable à l'effet Doppler des résonnances d'absorption, nous pouvons poser que le coefficient de température diminue avec la variation du facteur anti-trappe, à savoir: dρ F 1 dp dT = p dT (102) F Etant donné que le facteur d'utilisation thermique dépend fortement des propriétés du modérateur et est spécifique de la proportion entre le modérateur et le combustible, le coefficient de réactivité du modérateur sera lié aussi aux effets de température au facteur d'utilisation thermique f. d ρ M 1 dp 1 df = + (103) dT p dT f dT M M F M 5.2.1 Effet réactif de température rapide: coefficient de température de combustible Le coefficient de température est fortement lié à l'effet Doppler. L'effet Doppler décrit dans quelle mesure l'accroissement de température influence la largeur des résonnances dans le domaine épithermique. Pour un effet Doppler important, les résonnances vont devenir significativement plus large, l'absorption va augmenter dans le domaine épithermique et donc le facteur anti-trappe (probabilité d'échapper aux résonnances d'absorption) diminue. Un effet Doppler significatif a donc pour conséquence un coefficient de température de c ombustible significativement négatif. Etant donné que l'uranium-238 a des pics de résonnance clairement séparés et de différentes hauteurs dans le domaine d'énergie de 6 à 100 eV, l'effet Doppler a une influence négative importante sur le coefficient de réactivité du combustible dans le cas de l'uranium 238.Cela vaut aussi pour les réacteurs qui contiennent une grande quantité de thorium-232. 5.2.2 Effet réactif de température retardé: coefficient de température de modérateur Pour déterminer l'influence des différents paramètres sur le facteur anti-trappe et le facteur d'utilisation thermique, nous allons donner des expressions plus détaillées pour ces deux facteurs: Na p = 1− Ieff , NRNR (104) ξ Σ +Σ ( m pot) VFΣaFφF NF f = = (105) VFΣ aFφF + VMΣ aMφM NF + NMRσ Rφ Avec R σ σ aM φM = en Rφ = σ φ aF F (106) Aussi bien le facteur anti-trappe comme le rendement thermique dépendent fortement de la proportion modérateur-combustible. Par la diminution de la densité du modérateur par rapport à la densité fixée 105
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PORQUET Marie-Geneviève CSNSM - B
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