La couverture en thorium a été conservée pendant toutes les études présentées jusqu’à maintenant (ainsi que celles présentées après cette section), ce qui a permis d’obtenir des performances de ré- génération souvent très acceptables. Cependant le recours à cette solution complique quelque peu la conception et l’exploitation du réacteur, et il serait évidemment préférable de s’en passer. Etudions donc l’impact réel de cette couverture en thorium sur les différentes contraintes, en revenant à la taille classique d’hexagones (15 cm de côté).
6.3.1 Capacités de régénération
Commençons par la contrainte motivant la mise en place d’une couverture fertile autour d’un réacteur : la récupération des neutrons de fuite en vue d’améliorer la régénération. Le taux de régéné-
ration peut être décomposé en un taux concernant la régénération du coeur seul et un taux concernant le système complet (coeur + couverture). La figure 6.12 présente le taux de régénération en fonction du rayon des canaux, pour un système sans et avec couverture (ce dernier étant subdivisé en deux courbes, suivant que la couverture est comptabilisée ou non).
Comme décrit au début du chapitre 5, les grands rayons de canaux nécessitent un changement de la composition des matériaux afin d’éviter que les fissions ne désertent le coeur pour se masser à proximité des réflecteurs. Avec une configuration sans couverture en thorium, le réflecteur radial en graphite peut amener une telle perturbation. Il a donc été lui aussi remplacé par un réflecteur à base de zirconium pour les configurations à spectre rapide.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
rayon des canaux (cm) 0.85
0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15
taux de régénération
avec couverture (système complet)
avec couverture (coeur seul) sans couverture
FIG. 6.12 – Impact de la présence d’une couverture en thorium sur le taux de régénération en fonction du rayon des canaux.
Remarquons tout d’abord que, dans le système comprenant une couverture fertile, la part de régé- nération apportée par celle-ci est légèrement plus importante pour les configurations à grands rayons de canaux. L’écart des taux de régénération approche les 0.120 en configuration cu, mais décroît gra- duellement jusqu’à 0.060 en r2. Ceci est probablement dû à la quantité de neutrons arrivant dans la couverture. Ce flux est beaucoup plus intense dans le petits coeurs (configuration cu) que dans les grands (configuration r2).
La comparaison avec la régénération d’un système sans couverture montre deux régimes de fonc- tionnement différents. Pour les configurations thermiques et épithermiques, celle-ci est supérieure à la régénération “coeur seul”, mais l’effet inverse est observé pour les configurations à spectre rapide.
Parmi les configurations présentées, trois types de “réflecteurs radiaux” sont utilisés : un réflecteur en graphite, un réflecteur en ZrC, et une structure en graphite contenant un sel fertile. Ces trois types ont des propriétés de réflexion et d’absorption de neutrons différentes. Le graphite constitue le meilleur
réflecteur tandis que le ZrC est le pire2. Les configurations à spectre thermique, échangeant une cou- verture fertile contre un réflecteur en graphite, ont plus de neutrons revenant en coeur ce qui améliore le taux de régénération. En revanche, pour les configurations rapides, la couverture est remplacée par un matériau moins diffuseur, d’où la perte de régénération.
De ces résultats ressort une autre conclusion. Dans ces conditions, seules les configurations ra- pides permettent d’obtenir la régénération sans utiliser de couverture fertile. Un réacteur avec un unique canal de sel aurait ainsi l’avantage d’être d’une très grande simplicité. Mis à part pour ces configurations, l’écart à l’iso-génération dépasse généralement 0.05, ce qui est difficilement rattra- pable. En particulier, un changement de la puissance spécifique du coeur ne peut suffire. Le chapitre suivant permettra de connaître la marge de manoeuvre disponible par le retraitement, et de confirmer par exemple qu’un réacteur à spectre épithermique et sans couverture peut être surgénérateur, mais uniquement grâce à un retraitement très efficace (comme celui du MSBR).
6.3.2 Autres contraintes
Comme on peut le voir sur la figure 6.13, la présence d’une couverture fertile n’apporte abso- lument rien de nouveau en terme de sûreté. Les effets observables pour une même configuration ne dépendent que du changement du spectre neutronique, entraîné par l’absence ou la présence de couverture fertile. Ces changements n’engendrent cependant pas de différences significatives sur l’in- ventaire de matière fissile nécessaire. Quant à l’étude concernant la prolifération de matière fissile, celle-ci a été exposée précédemment (partie 4.3.9).
0 2 4 6 8 10
proportion 233U/NL (%) -6
-4 -2 0 2
coefficient de température total (pcm/°C)
avec couverture
sans couverture
FIG. 6.13 – Impact de la présence d’une couverture en thorium sur le coefficient de température total en fonction de la proportion de matière fissile.
2Si le sel fertile, riche en noyaux lourds, est plus absorbant que le ZrC, il ne faut pas oublier que la structure de la couverture, en graphite, permet de réfléchir une partie des neutrons sortant du coeur.
6.3.3 Type de couverture
La couverture utilisée dans toutes nos études est constituée d’hexagones de 15 cm de côté (ou identiques à ceux du coeur lorsqu’ils sont de taille différente). Chaque hexagone en graphite est percé d’un canal de 10 cm de rayon contenant du sel fertile, de composition 78% LiF - 22% ThF4. Il existe bien d’autres manières de concevoir une couverture fertile. D’un point de vue neutronique, les résultats seraient probablement assez similaires, avec bien sûr des variations de taux de régénération en fonction de l”’efficacité” de la couverture. En revanche, ces solutions se différencient sur le plan de la faisabilité technologique, chacune ayant ses caractéristiques propres.
L’utilisation d’un sel fertile liquide, similaire à celui du coeur, facilite l’étape de récupération de l’233U (par fluoration). De plus, cet233U fissionne et forme des PF qui dégradent petit à petit l’effica- cité de cette couverture. Un sel fertile liquide facilite l’injection d’une partie de la couverture en coeur, une fois trop chargée de PF. D’un point de vue technologique, cette couverture peut être composée d’un “circuit” de sel fertile. Un tel circuit n’a cependant pas besoin de pompe ou d’échangeur de cha- leur, et on ne peut pas vraiment parler de réacteurs à double circuit. L’autre solution consiste à utiliser des “ampoules” de graphite scellées, contenant le sel fertile. Chaque ampoule est alors indépendante des autres et peut être retirée et échangée le moment venu.
Le recours à une couverture solide peut se faire par l’utilisation de barreaux de ThO2. Plus encore que les ampoules, ces barreaux peuvent être aisément retirés et remplacés. Par contre, la très forte densité du ThO2 fait craindre qu’une telle technologie ne nécessite des quantités de Th très impor- tantes pour entourer efficacement le coeur. De plus, l’233U formé se concentre en surface où il a alors plus de chance de provoquer des fissions, dégradant l’objectif premier de la couverture fertile.
Les investigations dans ce domaine n’ont cependant pas été très poussées, et il faudrait peut être réaliser d’autres études sur le sujet.