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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 :


Figure 1: Coupe verticale du bloc réacteur et de ses circuits de refroidissement (fichier gif 57K).

Ce bloc réacteur est conçu de manière à :

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 ) :


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

LABORATOIRE LEON BRILLOUIN mise à jour : 27/07/99
Orphée © CEA-CNRS 1999