8.2 Etude de la proportion de NL dans le sel LiF - (NL)F 4
8.2.2 Proportion de NL
Maintenant qu’est connu l’effet de l’élévation de température à 1030 ◦C, intéressons-nous à la variation de la proportion de NL à cette température. Comme d’habitude, il est utile de conserver constante la quantité totale de NL dans le coeur pour comparer des systèmes aux comportements similaires. En conséquence, les configurations dont la proportion de NL dans le sel est plus faible dis- poseront d’un plus grand volume de combustible. Le temps de retraitement est, quant à lui, conservé égal à 6 mois pour toutes ces configurations, puisqu’on s’attache par hypothèse à garder un même flux de NL à traiter chaque jour. Le sel utilisé dans la couverture en thorium n’est pas modifié. On garde une forte proportion de NL dans le sel fertile pour maximiser la régénération dans la couverture. La densité et le coefficient de dilatation du sel combustible étant des paramètres cruciaux du système, leurs valeurs pour différentes proportions de NL sont rassemblées dans le tableau 8.3.
Proportion de (NL)F4 22 % 10 % 5 % 2 % Volume de sel (m3) 20 36.8 67.2 155
Densité 3.89 2.58 2.33 1.98
Coefficient de
dilatation (x10−4/◦C) 10 10 9 8
TAB. 8.3 – Propriétés du système en fonction du pourcentage de (NL)F4dans le sel combustible.
8.2.2.1 Sûreté
La figure 8.3 présente l’impact de la proportion de (NL)F4dans le sel sur le coefficient de tempé- rature total en fonction du rayon des canaux. L’évolution générale de ce coefficient est très similaire pour tous les sels. On remarque cependant deux différences majeures lorsque le sel contient moins de NL : d’une part le maximum de la courbe est obtenu pour des canaux plus larges, d’autre part le coefficient obtenu pour la configuration cu est meilleur.
Pour expliquer ces différences, nous allons analyser les spectres neutroniques et les sous-coefficients de température liés à la densité et à l’effet Doppler. L’impact de la proportion de NL sur les spectres neutroniques et sur ces sous-coefficients est illustré sur les figures 8.4 et 8.5.
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
rayons des canaux (cm) -10
-8 -6 -4 -2 0 2 4
coefficient total de température (pcm/°C)
22% (NL)F4 10% (NL)F4
5% (NL)F4
2% (NL)F4
FIG. 8.3 – Impact de la proportion de (NL)F4 sur le coefficient de température total en fonction du rayon des canaux. Les courbes indiquées dans les figures de cet ouvrage ne sont que des polynômes de degré n (ou autres fonctions simples) destinés à aider la visualisation. Elles n’ont pas valeur de résultat.
Comme pour l’étude du sel LiF - BeF2, les neutrons diffusent plus longtemps avant d’être absorbés lorsque la proportion de NL diminue. Il en résulte une thermalisation accrue par les noyaux de carbone ou les noyaux légers du sel, comme on peut le constater sur la figure 8.4. Cette thermalisation est à l’origine du décalage des extremums des sous-coefficients de température. En effet, une configuration
10-2 10-1 100 101 102 103 104 105 106 107 energie (eV)
10-8 10-7 10-6
flux de neutrons (n/cm2 /n-source/dlnE)
5% (NL)F4
2% (NL)F4 10% (NL)F4 22% (NL)F4
FIG. 8.4 – Impact de la proportion de (NL)F4sur le spectre neutronique pour la configuration r8.5.
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
rayon des canaux (cm) -6
-4 -2 0 2 4 6
coefficient de température de densité (pcm/°C)
22% (NL)F4
10% (NL)F4 5% (NL)F4 2% (NL)F4
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
rayon des canaux (cm) -8
-6 -4 -2 0
coefficient de température Doppler (pcm/°C)
22% (NL)F4
10% (NL)F4 5% (NL)F4
2% (NL)F4
FIG. 8.5 – Impact de la proportion de (NL)F4 sur le coefficient de température de densité (à gauche) et Doppler (à droite) en fonction du rayon des canaux.
r8.5 avec une proportion de NL de 5 % a un spectre neutronique proche de celui d’une configuration r7 avec une proportion de 10 %.
Pour les même raisons, comme on peut le voir sur la partie droite de la figure 8.5, le maximum de l’effet Doppler est obtenu pour des rayons plus larges (et est plus important en valeur absolue) à mesure que le sel s’appauvrit en NL. Les valeurs obtenues pour la configuration cu sont donc très différentes suivant la proportion de NL. Cette forte amélioration se répercute directement sur le coef- ficient de température total de la configuration cu (voir figure 8.3).
Si l’on représente la variation des coefficients de température totaux en fonction de l’enrichisse- ment en233U pour différentes proportion de NL, ce qui est fait sur la figure 8.6, on constate que les phénomènes mis en jeu sont globalement les mêmes. Il y a tout de même des différences : le déca- lage du “point de rebroussement” et la divergence des courbes pour les forts enrichissements en233U.
Comme pour l’étude en fonction de la taille des hexagones, on obtient un nouveau réseau de courbes permettant la prédiction des coefficients de température.
0 2 4 6 8 10 12
proportion 233U/NL (%) -10
-8 -6 -4 -2 0 2
coefficient de température total (pcm/°C)
22% (NL)F4
10% (NL)F4
5% (NL)F4 2% (NL)F4
FIG. 8.6 – Impact de la proportion de (NL)F4sur le coefficient de température total en fonction de la proportion de matière fissile.
8.2.2.2 Capacités de régénération
L’impact de la proportion de NL sur le taux de régénération en fonction du rayon des canaux est présenté sur la partie gauche de la figure 8.7. D’une manière similaire au coefficient de température, la thermalisation supplémentaire apportée par les noyaux légers du sel est la source de profondes différences sur les capacités de régénération du système. En particulier, l’évolution du nombre de neutrons disponibles (fortement lié au rapportα233U) est représentée sur la partie droite de la figure et montre clairement cette thermalisation accrue.
Toujours comme pour l’étude du LiF - BeF2, les noyaux légers vont capturer plus de neutrons lorsque la proportion de NL est faible. Cela a pour conséquence directe une réduction du taux de régénération. Si l’on se place à thermalisation identique, par exemple au niveau du minimum local du taux de régénération, soit r8.5 avec 22 % et cu avec 2 % de NL, le taux de capture parasite du sel se monte à 0.016 n/fission dans le premier cas et 0.028 n/fission dans le second.
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
rayons des canaux (cm) 0.75
0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15
taux de régénération
22% (NL)F4
10% (NL)F4
2% (NL)F4 5% (NL)F4
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
rayons des canaux (cm) 0.16
0.18 0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3
nombre de neutrons disponibles
22% (NL)F4
10% (NL)F4
5% (NL)F4 2% (NL)F4
FIG. 8.7 – Impact de la proportion de (NL)F4 sur le taux de régénération (à gauche) et sur le nombre de neutrons disponibles par fission (à droite) en fonction du rayon des canaux.
8.2.2.3 Inventaire nécessaire
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
rayon des canaux (cm) 0
1 2 3 4 5 6
inventaire nécessaire (tonnes)
22% (NL)F4 10% (NL)F4
5% (NL)F4
2% (NL)F4
FIG. 8.8 – Impact de la proportion de (NL)F4 sur l’inventaire nécessaire en fonction du rayon des canaux.
Compte tenu de nos hypothèses de travail, l’inventaire nécessaire pour démarrer un réacteur est, normalement, assez peu différent d’un type de sel à l’autre. La figure 8.8 présente l’impact de la
un décalage lorsque la proportion de NL diminue dû à la thermalisation accrue, et une augmentation due aux captures supplémentaires dans les éléments légers du sel.
8.2.2.4 Tenue des matériaux
La diminution de la puissance spécifique prolonge la durée de vie du graphite, le flux étant inver- sement proportionnel au volume du coeur. De plus, la fraction de neutrons de haute énergie est forte- ment réduite lorsque la proportion de NL baisse : 25 % de neutrons d’énergie supérieure à 50 keV en r8.5 avec 22 % de (NL)F4, contre seulement 11 % avec une proportion de (NL)F4de 2 %. La figure 8.9 présente les durées de vie du graphite pour différentes proportions de NL et différents rayons de canaux.
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
rayons des canaux de sel (cm) 0
5 10 15 20 25
durée de vie du graphite (années)
22% (NL)F4 10% (NL)F4
5% (NL)F4 2% (NL)F4
FIG. 8.9 – Impact de la proportion de (NL)F4sur la durée de vie du graphite modérateur en fonction du rayon des canaux.
8.2.2.5 Aspects de thermohydraulique
L’impact de la proportion de NL sur les contraintes de thermohydraulique est très semblable à l’impact de la puissance spécifique (section 6.1.1.5). En effet, avec 2 % de NL, le réacteur est près de 8 fois plus gros, tout en gardant la même puissance totale qu’avec 22 % de NL. Le sel étant combustible et caloporteur, cela revient à garder constante la quantité de combustible, tout en augmentant celle de caloporteur.
Cela permet d’alléger grandement les problèmes de thermohydraulique, qu’ils soient liés aux pertes de charges lors de l’écoulement dans les canaux ou à l’évacuation de la puissance thermique du coeur. C’est l’un des grands intérêts de la réduction de la proportion de NL.