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

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A-DONNEES EXPERIMENTALES 1- Informations sur la spallation d’intérêt pour un réacteur hybride. 1.1- Schéma d’un réacteur hybride Partons du schéma d’un réacteur hybride (Fig 1). Le faisceau de l’accélérateur (typiquement des protons de 1 GeV avec des intensités de 20 mA à 100 mA) est arrêté par une cible massive de matériaux lourd (Pb-Bi, W ou Hg) et produit par spallation de 25 à 30 neutrons par proton incident. Ces neutrons vont agir sur le réacteur sous critique comme une source externe permettant ainsi d’atteindre la criticité. Il est donc de première importance de caractériser cette source de neutrons pour le réacteur (nombre de neutrons, spectres en énergie et en angle d’émission). Ceci demande une connaissance des sections efficaces doublement différentielles pour les protons à l’énergie du faisceau sur les noyaux utilisés pour la cible, mais aussi pour les réactions secondaires (essentiellement les protons, neutrons et pions produits lors des réactions précédentes, donc à des énergies de plus en plus basses). Le faisceau de protons traverse inévitablement une fenêtre de séparation entre le vide dans l’accélérateur et le milieu ambiant dans le réacteur. Cette fenêtre est une des difficultés des réacteurs hybrides car elle doit tenir mécaniquement malgré la fragilisation induite par le faisceau intense de protons. Selon le type de concept elle peut être plus ou moins proche du réacteur. Elle peut être alors soumise également au flux des neutrons de la cible de spallation et du réacteur. Elle est même parfois au contact avec la cible de Pb-Bi fondu ce qui ajoute les problèmes de corrosion par le plomb. Vers réseau extraction d’énergie Alimentation en déchets à vie longue accélérateur énergie électrique boucle de transport Sortie par lot et/ou séparations chimiques avancées Produits stables ou à vie courte faisceau de protons flux intense de neutrons cible de spallation en métal lourd Réacteur sous critique Fig 1 : Schéma de principe d’un réacteur hybride. Les réactions de spallation dues au faisceau sont inévitables et donc à étudier. Les choix technologiques sont des aciers dans lesquels les noyaux principaux sont le fer, le nickel et le chrome. Ces matériaux entreront également dans la fabrication du conteneur de la cible de spallation (Pb-Bi fondu par exemple). Les neutrons émis par la cible de spallation peuvent atteindre plusieurs centaines de MeV et induire des réactions de spallation dans le conteneur, dans les matériaux de structure du réacteur (métaux légers comme l’aluminium) et dans la partie combustible (métaux lourds, actinides) induisant de ce fait des fissions de haute énergie. Une bonne connaissance de la spallation permet de connaître la nature et la quantité des noyaux résiduels produits dans la cible, la fenêtre et les structures. Ceci permet de connaître les quantités et nature d’impuretés chimiques accumulées et l’activation des structures (décroissances radioactives des isotopes produits). Aux effets chimiques s’ajoute la fragilisation des matériaux. Il est possible de mesurer et de calculer l’énergie de recul des 184
noyaux résiduels de spallation qui contribue fortement à cette fragilisation des structures cristallines et de donner des valeurs réalistes de DPA (nombre de déplacements par atome dans des conditions données). Enfin la production de gaz en particulier d’hélium non soluble dans les métaux doit être bien connue. La formation de tritium est à prendre en compte pour la radioprotection. Ces gaz peuvent former des bulles dans l’épaisseur des structures et contribuer à leur fragilisation. 1.2- Energies des particules incidentes Quelle énergie pour les particules incidentes ? Le choix autour de 1 GeV pour le faisceau de protons de l’accélérateur vient de l’optimisation du nombre de neutrons produits. Si on trace le nombre de neutrons produits par proton en fonction de l’énergie des protons ce nombre ne cesse de croitre (Fig 2 haut). Cette courbe s’infléchit cependant en s’écartant de plus en plus d’une croissance linéaire car avec l’énergie, les seuils de production de mésons de plus en plus lourds sont dépassés, et une part croissante de l’énergie du faisceau se perd dans ces réactions. Il est plus réaliste de tracer le nombre de neutrons produits par unité d’énergie (Watt) du faisceau. On voit alors (Fig 2 bas) que l’on obtient le nombre maximum de neutrons par Watt dépensés dans le faisceau entre 0.8 GeV et 1.6 GeV. Ce maximum est assez plat et dépend évidemment un peu de la nature, mais surtout de la géométrie de la cible de production. Mn/p (Mn/Watt)*10 -11 P beam on a thick Pb target 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Proton kinetic energy (GeV) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Proton kinetic energy (GeV) Fig 2 : Evolution typique de la multiplicité des neutrons par proton incident (haut) ou par unité d’énergie dans le faisceau (bas) en fonction de l’énergie du faisceau de protons sur une cible épaisse de plomb. Les arguments économiques ont tendance à tirer la valeur retenue vers les basses énergies. Il semble actuellement douteux que l’on conçoive des systèmes à plus de 1.6 GeV. Une étape intermédiaire passe par un démonstrateur d’énergie inférieure. Actuellement le projet MYRRHA (faisceau de 350 MeV qui pourrait être ensuite porté à 600 MeV) en Belgique semble réaliste et prometteur. Pour l’application aux réacteurs hybrides, l’étude de la spallation est donc justifiée jusqu’à une énergie de 1.6 GeV environ et à toutes les énergies inférieures pour des protons et des neutrons incidents pour les réactions secondaires dans les cibles épaisses. En détaillant les caractéristiques de la spallation, il faut ajouter pour les réactions secondaires les réactions induites par des pions entre ~20 MeV et ~600 MeV et les réactions induites par des ions légers (du deuton aux alphas) jusqu’à 150 MeV environ. 185
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PORQUET Marie-Geneviève CSNSM - B
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