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LE REACTEUR
ORPHEE est un réacteur de type piscine. Sa puissance thermique
est de 14 MW.
Le flux thermique maximum est : 3.1014 neutrons
cm-2s-1 ; les principaux éléments
constitutifs du réacteur sont présentés sur la figure 1.
On y voit :
- Une coupe verticale du "bloc réacteur" ; le coeur, où
se situe la réaction de fission productrice de neutrons, plongé
au sein d'un bidon d'eau lourde (le réflecteur) lui-même
entouré par une piscine d'eau légère.
- les divers circuits de refroidissement,
- les protections biologiques (eau légère, béton),
- les canaux horizontaux qui permettent d'extraire les neutrons produits dans le
coeur et ralentis dans le modérateur (réflecteur) d'eau lourde,
et verticaux qui servent à placer divers dispositifs à
proximité du coeur.
Figure 1: Coupe verticale du bloc réacteur et de ses circuits de
refroidissement (fichier gif 57K).
Ce bloc réacteur est conçu de manière
à :
- éviter tout accident de criticité, en particulier lors des
opérations de renouvellement du combustible,
- absorber, par la paroi de la piscine, une partie de l'énergie
mécanique libérée par l'accident de dimensionnement pris
en compte (BORAX),
- éviter tout dénoyage des éléments combustibles dans
le coeur ou stockés dans la piscine.
Le coeur est très compact puisque son volume est de 56 litres environ
(0,25 x 0,25 x 0,90 m). Refroidi à l'eau légère, il
fournit une puissance spécifique élevée : 0,25 MW/litre
permettant ainsi la production intense de neutrons. Ceux-ci sont
"repris" par un vaste réflecteur d'eau lourde qui entoure
complètement la zone du coeur. On dispose ainsi d'une zone suffisamment
grande pour loger neuf canaux expérimentaux.
Caisson coeur vue du bord de la piscine (fichier gif 103K).
Le combustible est totalement renouvelé après chaque cycle de
fonctionnement (~100 jours). Il se présente sous forme de 8 assemblages
à plaques planes dont la matière fissible est constituée
d'un alliage d'uranium - aluminium.
On dispose (figure 2 ) :
- de 9 canaux horizontaux permettant la production de 20 faisceaux de neutrons :
- -8 faisceaux (canaux 4F, 8F, 9F) reçoivent des neutrons
préalablement refroidis par 2 sources froides à la
température de l'hydrogène liquide. 6 de ces faisceaux,
canalisés par des "guides de neutrons" sortent du
bâtiment réacteur pour être utilisés dans un hall
d'expérimentation attenant.
- -4 faisceaux reçoivent des neutrons issus d'une source chaude
(canaux 5C, 7C).
- -les 8 derniers faisceaux reçoivent les neutrons thermiques
issus directement du réflecteur d'eau lourde (canaux 1T, 2T, 3T, 6T).
- de 13 canaux verticaux permettant :
- -l'irradiation de matériaux divers (2 canaux)
- -l'analyse par activation (4 canaux pneumatiques)
- -la production de radio-isotopes (3 canaux)
- -l'implantation des sources froides, chaude et une réserve (4 canaux).
Figure 2: Coupe horizontale du bloc coeur au niveau des canaux (fichier gif 77K).
LA THERMALISATION DES NEUTRONS
Le réacteur ORPHEE est conçu pour être une source intense
de neutrons thermiques (énergie de l'ordre de 25 meV). Cependant, de
nombreuses expériences nécessitent un flux élevé,
soit de neutrons de faible énergie (inférieure à 5 meV),
soit d'énergie élevée (supérieure à 100
meV). Le flux de neutrons thermiques contient très peu de ces neutrons.
Il faut donc procéder à un"enrichissement" en remplaçant
localement le modérateur du réacteur (température moyenne
50deg.C) par un modérateur à basse température (source
froide) ou un modérateur à haute température (source
chaude).
1 - La source thermique :
Elle est constituée par le bidon réflecteur d'eau lourde de 2
mètres de diamètre et 2 mètres de hauteur. La
température de l'eau est maintenue à 50deg.C en moyenne. Dans ce
type de réflecteur, le maximum du flux thermique est suffisamment loin
du coeur pour que l'échauffement au nez du canal soit faible et se
développe dans un volume suffisamment important pour pouvoir disposer un
grand nombre de canaux expérimentaux. Le nez des canaux thermiques est
situé à 360 millimètres de l'axe du coeur.
2 - Les sources froides :
Le modérateur choisi est l'hydrogène liquide. Le principe de
fonctionnement est simple : un réfrigérateur à
hélium permet de liquéfier l'hydrogène dans un condenseur.
Le liquide circule par thermosiphon dans un circuit fermé entre la
cellule et le condenseur.
La taille de ce type de source est réduite, ce qui simplifie la
réalisation et limite les "risques hydrogène". Pour
alimenter un nombre suffisant d'expériences, deux sources identiques (SF
1 et SF 2) ont été implantées dans le bidon d'eau lourde
à 400 millimètres de l'axe du coeur (Fig.2). La partie active des
sources est une cellule en forme de gourde (hauteur 205 mm, largeur 130 mm,
épaisseur au centre 50 mm) en acier inoxydable
suspendue dans une enceinte à vide
qui pénètre dans le bidon
réflecteur. Cette dernière est positionnée par un centrage
en face du nez des canaux, la lame d'eau lourde restant inférieure
à 1 mm lorsque le réacteur est en fonctionnement.
Une modification de la géométrie des cellules à
hydrogène est prévue pour le début de l'année 1995.
La mise en place de nouvelles cellules où l'hydrogène occupe le
volume compris entre 2 cylindres concentriques (int. = 101 mm ; ext. =
130 mm) amènera un gain notable du flux de neutrons froids (15%
à 8 Å).
La puissance de chaque réfrigérateur est au moins de 700 watts.
Pour chaque source, la quantité d'hydrogène liquide est
inférieure à 1 litre et la puissance thermique dissipée
par rayonnement de l'ordre de 500 watts.
3 - La source chaude :
Elle est constituée par un bloc de graphite de 122 mm de
diamètre et 208 mm de haut, placé à 270 mm de l'axe du
coeur. Cette distance a été choisie pour profiter au maximum du
rayonnement gamma disponible dans le réacteur (entre 0,6 W/g et 2,6
W/g). L'isolation thermique du bloc de graphite est assurée par des
cylindres concentriques de graphite, l'ensemble étant placé
à l'intérieur d'une double enceinte de zircalloy avec lame de
gaz. La température atteinte est de 1400deg.K.
La distribution spectrale calculée pour une source à une
température de 1400, 1500 et 1600deg.K est présentée sur
la figure 3.
Figure 3: Source chaude: Distribution du flux en fonction de la
longueur d'onde pour trois températures de sources chaudes (fichier gif 7K).
TABLEAU COMPARATIF DES FLUX DE NEUTRONS*
F L U X T Y P E FLUX (10.9 n.cm-2.s-1)
CANAL FAISCEAU
2T 1 Thermique 3.93
4F 2 Froid 17.5
7C 2 Chaud 7.52
8F G1 Froid 0.99
G1-bis Froid 0.71
G2 Froid 1.26
G3 Froid 1.61
G3-bis Froid 1.50
G4 Froid 0.91
G5 Froid 1.88
G5-bis Froid 1.22
G6 Froid 2.07
* Mesures de flux réalisées par activation de feuilles de
Au.
Les flux de neutrons ont été mesurés au niveau
monochromateur pour les canaux
2T, 4F et 7C et à la sortie des guides pour les canaux 8F et 9F.
LES GUIDES DE NEUTRONS :
Un guide de neutrons est constitué par un tube, en
général rectangulaire, à parois internes
réfléchissantes, maintenu sous vide. Implanté à la
sortie d'un canal de réacteur, il transmet un faisceau de neutrons qui
se propagent par réflexions totales successives, c'est-à-dire
avec une divergence indépendante de la distance. L'angle limite de
réflexion totale thetac est proportionnel à la longueur d'onde du
neutron et dépend du matériau réfléchissant. Pour
une surface réfléchissante en Ni ordinaire on a : thetac = 6 x lambda (Å) minutes d'arc.
Figure 4: Distribution en longueur d'onde du flux à la
sortie des guides et des déviateurs (fichier postscript 92K)
En rappelant que les neutrons sont des particules neutres qui se
comportent, du point de vue de leur dynamique dans le vide, comme un gaz
parfait, le flux de particules disponible en un point est proportionnel
à l'angle solide sous lequel on voit la source de ce point. Le guide de
neutrons va donc permettre de distribuer, loin du coeur, des faisceaux ayant
une divergence importante, c'est-à-dire intense. Cet effet guide est
d'autant plus marqué que la longueur d'onde sélectionnée
est plus grande. D'autre part il est souvent utile, en particulier pour
réduire le bruit de fond, d'avoir un faisceau primaire (avant
monochromateur) n'ayant que très peu de neutrons de courtes et
très courtes longueurs d'onde ( < 2 Å). Ceci peut être
obtenu en donnant au guide une courbure ; en effet, la réflexion totale
des neutrons de longueur d'onde inférieure à lambdac = L/PRe(L =
longueur de la partie courbe, Rc = rayon de courbure, p = constante du
matériau réfléchissant) sera alors impossible et ces
neutrons ne se propageront pas.
Les spectromètres implantés le long des guides utilisent une
bande étroite de longueurs d'onde prélevée par la mise en
place dans le faisceau (le guide est alors interrompu sur une vingtaine de cm)
d'un monocristal monochromateur. Seuls les spectromètres
implantés à l'extrémité du guide peuvent
bénéficier d'une bande large ou même d'un faisceau
polychromatique. Afin d'augmenter le nombre "d'extrémités
de guide", nous avons mis en place 3 déviateurs de faisceau
(G1bis, G3bis et G5bis) constitués par une série de lames
réfléchissantes parallèles et de forte courbure. Pour 2
d'entre eux (G 3bis et G5bis), les lames réfléchissantes sont des
supermiroirs.
Les tableaux ci-après résument les caractéristiques des
différents guides de neutrons.
La distribution en longueur d'onde
transmise par chacun d'entre eux est présentée sur la figure 4.
On pourra remarquer que depuis la précédente édition de ce
document, 2 modifications importantes ont intéressé le guide G5 :
il a été totalement redressé
(Rc = infini , lambdac=0) et ses
surfaces réfléchissantes sont constituées par un
dépôt de 58Ni. Ces 2 éléments ont
amené une augmentation importante du flux en neutrons de courtes
longueurs d'onde. Enfin, nous prévoyons pour le début de
l'année 1995, de remplacer la partie courbe du guide G2 par des
éléments réfléchissants utilisant la technique des
supermiroirs.
CARACTERISTIQUES DES GUIDES ET DEVIATEURS
GUIDE SURFACE RAYON DE LONGUEUR LONGUEUR LONGUEUR NOMBRE DE
REFLECHISSANTE COURBURE D'ONDE DE D'ONDE AU TOTALE POSTES
(m) COUPURE MAXIMUM DU (m) EXPERIMENTAUX
(A) FLUX (A)
G1 Ni 463 6 6 33,3 1
ordinaire
G2 Ni 1042 2 4 39,3 3
ordinaire
(1995->supermiroir)
G3 Ni 4167 2 4 49,5 2
ordinaire
G4 Ni 4167 2 4 63,2 5
ordinaire
G5 58 Ni 1.7 2.7 56,3 6
G6 Ni 1042 4 4 39,7 2
ordinaire
DEVIATEURS
G1bis 58 Ni 46 4,4 6,2 8,6 1
G3bis Supermiroir 50 2,3 3,3 9 1
G5bis Supermiroir 155 3,4 5,3 9,5 1