Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de physique de l'énergie et des particules IPEP (Laboratoire de physique des réacteurs et de comportement des systèmes LRS)

Etudes numériques et expérimentales de caractéristiques d'un système rapide sous-critique alimenté par une source externe

Plaschy, Michaël ; Chawla, Rakesh (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 2953.

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    Summary
    One of the principal research axes related to nuclear energy concerns the management of nuclear wastes. In this context, certain innovative pathways are being explored to provide options which could lead to a major reduction of the quantities of radioactive nuclides requiring long-term geological storage. An important aspect is the development of advanced nuclear systems which allow the transmutation of long-lived minor actinides, the ADS (accelerator driven system) concept often being proposed for the purpose. Various important developments are necessary for these new systems, one of the principal needs being the qualification of calculational tools to enable the reliable design of an ADS demonstrator. In the present research, related numerical and experimental studies have been carried out in the framework of the MUSE4 programme, which was developed on the MASURCA facility at Cadarache, France. This programme consists of investigations of a reference critical configuration (MOX fuel with sodium), and several subcritical configurations driven by an external neutron source. The source is obtained with the help of a deuton accelerator, called GENEPI, which produces neutrons via a nuclear reaction, either with a tritium target (14.1MeV neutrons), or with a deuterium target (2.7MeV neutrons). The experimental techniques implemented in this research address the study of spectral variations via foil activation measurements near interfaces characteristic of ADSs. The additional value of such experimental results, compared to standard fission rate traverses obtained using fission chambers (which were also analysed), has been highlighted. An important novel set of integral parameters has thus been made available for the validation of different numerical codes and nuclear data. The activation and fission rate measurements carried out, as also experimental results for other parameters such askeff, βeff and φ*, have been interpreted using various calculational codes (mainly ERANOS and MCNP) and several different nuclear data libraries (JEF-2.2, ERALIB1, ENDF/B6v2). Supplementary information on the performance of the calculational methods has been obtained in the context of the MUSE4 benchmark exercise, conducted by the NEA. The present investigations have led to the resolution of various problems encountered during the earlier MUSE3 programme at MASURCA, viz. uncertainties related to description of the intrinsic source description, difficulties in interpreting fission traverses near the external source, etc. A detailed study has thus been made possible of the important factors which characterise subritical fast systems driven by an external source, i.e. influence of the subcriticality level and of the external source intensity. The various analyses carried out have permitted to establish several recommendations concerning the modeling of the external source and the accelerator tube, as well as the most appropriate numerical methods and data sets to be applied. In this context, the specificity of subcritical configurations, as regards the prediction of parameters such as spatial indices and absolute reaction rates, has been clearly brought out. Certain difficulties (interpretation of high threshold reactions, absolute flux determination, etc.) have thereby been highlighted, pointing at the need for further numerical and experimental investigations. Finally, some recent ERANOS developments have allowed a study to be carried out of the representativity of MUSE4 configurations with respect to alternative ADS concepts proposed in the framework of the international PDS-XADS project. In brief, the representativity of the MUSE4 configurations is found to be quite satisfactory for XADS-Na and XADS-gas. However, in the case of the XADS-Pb/Bi system, effects of the significant uncertainties associated with the nuclear data of lead and bismuth have been clearly highlighted, indicating the desirability of new, more specific experiments for XADS-Pb/Bi validation.
    Résumé
    L'un des axes de recherche principaux associé à l'énergie nucléaire concerne la gestion des déchets nucléaires. Dans ce contexte, des voies innovantes sont explorées afin de fournir des options dont l'objectif est de réduire de manière significative les quantités des déchets radioactifs à longue durée de vie qui doivent être stockés. Un aspect important est l'élaboration de systèmes nucléaires avancés qui permettraient de transmuter les actinides mineurs à longue période. Pour cela, le concept d'ADS ("accelerator driven system") est souvent avancé. Le développement de ces nouvelles installations impose d'importants développements, comme, en particulier, un travail de qualification des outils de calcul pour permettre la réalisation des études de projet, études indispensables afin d'aboutir à une définition fiable d'un démonstrateur. Dans la présente recherche, des études expérimentales et numériques ont été menées dans le cadre du programme MUSE4, qui a été développé sur l'installation MASURCA de Cadarache. Ce programme se propose d'étudier une configuration critique rapide de référence (combustible de type MOXsodium), et quelques configurations sous-critiques alimentées par une source neutronique externe. Cette source est obtenue à l'aide d'un accélérateur de deutons, appelé GENEPI, qui produit des neutrons par réaction nucléaire avec soit une cible de tritium (neutrons de 14.1MeV), soit une cible de deutérium (neutrons de 2.7MeV). Les techniques expérimentales mises en place dans ce travail concernent l'étude des variations spectrales aux interfaces caractéristiques des ADSs par l'activation d'échantillons avec ou sans seuil de réaction. L'apport de ce genre de mesures par rapport aux traverses de taux de fission standards, qui furent aussi interprétées, a été mis en évidence. Ainsi, un ensemble significatif de données intégrales a été rendu disponible pour étudier la validité de différents codes de calcul et de données nucléaires. Les mesures de taux d'activation et de fission effectuées, ainsi que d'autres résultats expérimentaux (keff, βeff, φ*) ont été interprétés à l'aide de divers codes numériques (principalement ERANOS et MCNP) et de différentes bibliothèques de données nucléaires (JEF-2.2, ERALIB1, ENDF/B6v2). Des informations complémentaires sur les performances des schémas de calcul ont aussi été obtenues dans le cadre du "benchmark MUSE4", piloté par la NEA. Les investigations réalisées ont conduit à la résolution de certaines difficultés rencontrées lors de la phase MUSE3, comme la réduction de l'incertitude sur la connaissance de la source intrinsèque et l'amélioration des prédictions des traverses de taux de fission proche de la source externe. Ainsi, des études détaillées ont pu être menées afin de soulever l'impact des facteurs d'importance qui caractérisent des systèmes rapides sous-critiques alimentés par une source externe, c'est-à-dire l'influence du niveau de sous-criticité et de l'intensité de la source externe. Les différentes analyses effectuées ont aussi permis d'établir plusieurs recommandations sur la modélisation de la source externe et du tube de l'accélérateur, ainsi que sur l'utilisation de certains schémas de calcul. Dans ce contexte, les spécificités des systèmes sous-critiques par rapport aux systèmes critiques pour la prédiction de différents paramètres (indices spatiaux, taux de réactions absolus) ont été clairement élucidées. Ainsi, certaines difficultés sont notamment mises en évidence (interprétation des réactions à haut seuil, détermination du flux absolu), qui justifient l'élaboration de futures investigations numériques et expérimentales. Enfin, l'utilisation de développements récents du formulaire ERANOS a permis d'établir des facteurs de représentativité entre les configurations MUSE4 et les démonstrateurs ADS proposés dans le cadre des études internationales PDS-XADS. Pour résumer, la représentativité des configurations MUSE4 est, en général, assez satisfaisante avec les systèmes XADS-Na et XADS-gaz. Cependant, pour le système XADS-Pb/Bi, les effets associés aux fortes incertitudes sur les données nucléaires du plomb et du bismuth ont été clairement mis en évidence, indiquant le besoin d'expériences plus adaptées pour la validation de l'XADS-Pb/Bi.