La puissance résiduelle est la puissance thermique dégagée après l'arrêt du réacteur générée par les décroissances radioactives des isotopes du combustible et par les fissions retardées. L'estimation de la puissance résiduelle est un enjeu de sûreté important lors du fonctionnement du réacteur en cas d’accident mais également pour le transport du combustible usé et la gestion des déchets nucléaires pour les réacteurs actuels. Pour les réacteurs de génération IV, c'est un paramètre clé pour le design des systèmes de sauvegarde (passif ou actif) et l'utilisation de combustibles innovants. Il y a peu de mesures de puissance résiduelle de disponible. D'où la nécessité d’avoir à disposition des codes de calcul prédictifs avec également une estimation de l'incertitude associée au calcul. Le calcul de la puissance résiduelle repose sur le calcul de l'inventaire du combustible du réacteur au cours du temps avec un code d'évolution neutronique associé à la connaissance des propriétés de décroissance des produits de fission et des actinides mais aussi des rendements des produits de fission et des sections efficaces.
Le groupe Structure et Energie Nucléaire du laboratoire SUBATECH (SEN) réalise des calculs de puissance résiduelle avec le code Monte Carlo évoluant SERPENT2 développé au VTT en Finlande à la fois pour des pulses de fission, assemblages réacteurs à eau pressurisée ou concept de génération IV.
Depuis 2015, l’impact des nouvelles mesures TAS des énergies moyennes de décroissance β- et γ de certains produits de fission sur l'estimation de la puissance résiduelle pour des pulses de fission induite par des neutrons thermiques ou rapides est calculé avec le code SERPENT2.
| Figure 1 : Impact de l'ajout de 13 nouvelles mesures de spectroscopie réalisée avec la technique TAS (86,87,88Br, 91,91,94Rb,101Nb, 105Mo, 102,104,105,106,107Tc ) sur le calcul de la composante électromagnétique de la puissance résiduelle de la fission du 239Pu induite par des neutrons thermiques [1]. |
A l'inverse, des simulations de coeur de réacteurs de Gen IV (SFR, MSFR) sont développées avec SERPENT puis utilisées pour déterminer la liste des produits de fission importants contributeurs à la puissance résiduelle, impactés par l'effet Pandémonium et qui pourront faire l'objet de nouvelles mesures avec la technique TAS et ainsi contribuer à l'amélioration des données de décroissance disponibles dans les librairies.
| Figure 2 : Concept SFR MOX 3600 MWth modélisé avec SERPENT. |
Afin de pouvoir dans le futur utiliser le code SERPENT2 pour calculer la puissance résiduelle et les incertitudes associées aux données nucléaires pour des concepts de Génération IV, des travaux sont en cours sur la validation et la qualification du code déjà dans un premier temps pour les réacteurs du parc actuel. Des comparaisons calculs/mesures de puissance résiduelle ont déjà été réalisées pour des assemblages de réacteur à eau pressurisée (Point Beach 2, San Onofre 1, Turkey Point 3, Ringhals 2 et 3) en couplant SERPENT notamment aux librairies suivantes : JEFF3.1.1, JEFF3.3 et ENDF7.1. Des travaux similaires sont actuellement en cours à la fois sur des assemblages de réacteur à eau bouillante mais également des comparaisons avec d'autres codes Monte-Carlo.
| Figure 3 : Comparaison entre des mesures de puissance résiduelle (M) pour des assemblages des réacteurs Ringhals 2 et 3 et des calculs (C) réalisés avec le code SERPENT 2 [2]. |
Les travaux réalisés au laboratoire sur le calcul de puissance résiduelle pour les concepts de Génération IV s’inscrit notamment dans la collaboration MSFR (LPSC, IJClab, SUBATECH). Le MSFR (Molten Salt Fast Reactor) est un projet de réacteur à sels fondus en cycle Th/U ou U/Pu et spectre rapide initié par le laboratoire du LPSC depuis plus de 15 ans et auquel l’équipe SEN contribue depuis 2015. Le MSFR a été retenu en 2008 par Forum International Generation IV comme concept à être étudié pour un futur réacteur à sels fondus.
| Figure 4 : Schéma des différents systèmes composant un réacteur MSFR [3]. |
Ce réacteur, associé à une unité de traitement du combustible en fonctionnement, est basé sur un combustible liquide qui va circuler entre le coeur et des échangeurs de chaleur, ce liquide remplissant à la fois le rôle de combustible et de caloporteur.
Le projet européen SAMOSAFER lancé en 2019 a pour objectif d'évaluer le niveau de sûreté du réacteur à sels fondus MSFR et SUBATECH a la responsabilité de l'estimation du terme source de puissance résiduelle à la fois sur le coeur du coeur réacteur, l'unité de retraitement du réacteur et le système de vidange. Dans ce cadre, l'équipe SEN a défini et coordonne un benchmark neutronique de validation des outils de simulation ((CNRS, CEA, POLIMI, PSI) pour le calcul du terme source du risque de relâchement radioactif en situation d’accident grave.
En parallèle, des études sont en cours de développement sur l'évaluation des incertitudes associées au calcul de la puissance résiduelle et notamment l'impact des données nucléaires en utilisant des méthodes d'analyse des incertitudes basées sur la méthode Total Monte-Carlo (TMC).
Contact :
Lydie Giot, Laboratoire SUBATECH, CNRS-IN2P3, 4 rue Alfred Kastler, 44307 Nantes, France, Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.
Références :
[1] Beta-decay studies for applied and basic nuclear physics, A. Algora, J. L. Tain, B. Rubio, M. Fallot and W. Gelletly, accepté pour publication dans EPJA, 2020, Communication privée L. Giot.
[2] L. Giot, H. Pitois, P. Savaloinen, Z. Guo. Decay heat calculations with JEFF librairies. JEFF Meetings, in NEA, Apr 2019, Paris, France. Hal–02409885.
[3] https://samosafer.eu/project/
Le neutrino est l’un des ingrédients les plus énigmatique de la physique des particules. La découverte du mécanisme d’oscillations fut le premier indice expérimental d’une physique au-delà du modèle standard en révélant que le neutrino est massif. Du fait de sa faible interaction avec la matière et malgré d’énormes progrès expérimentaux, sa nature et ses propriétés fondamentales demeurent inconnues : Dirac/Majorana, phase de violation de CP, masse, autres saveurs… Récemment, trois anomalies expérimentales indépendantes (Gallium, LSND/MiniBoone, anomalie réacteur) appuient l’hypothèse de l'existence d’une nouvelle famille de neutrino, qualifiée de stérile car n’interagissant pas par interaction faible. Dans ce contexte, de nouvelles contraintes expérimentales sont nécessaires pour clarifier l’anomalie réacteur. A ce titre, le projet SoLid constitue l’unique opportunité pour la communauté d’obtenir un jeux de données suffisamment complet et précis du flux de neutrino à très courte distance d’un réacteur nucléaire. Il permettra de tester in fine l’hypothèse d’une quatrième saveur stérile et fournira dans le même temps une mesure de référence, indispensable aux calculs de prédiction du flux utilisé dans les mesures actuelles et futures. Si l’existence d’une nouvelle particule était prouvée, ce serait une découverte majeure aussi bien en physique des particules, qu’en cosmologie. Sans aucun doute, elle bouleverserait définitivement la façon dont nous abordons les questions au-delà du modèle standard.
La qualité du projet SoLid repose sur deux points forts sans équivalent : la source d’antineutrino et la technologie de détection. L’expérience prend place auprès du réacteur de recherche BR2 du SCK-CEN (Mol, Belgique) permettant la mesure d’oscillation pour des distances comprises entre 5 et 12 m. Outre ce bras de levier important, le site se distingue par son environnement de bruit de fond exceptionnellement bas et par l’absence de contrainte temporelle. Le dispositif expérimental repose quant à lui sur une technologie innovante de détection neutron très finement segmentée. L’utilisation de couche de 6LiF:ZnS permet de discriminer distinctement le signal neutron et la segmentation, de localiser les interactions antineutrinos et de rejeter efficacement les sources de bruit de fond importantes. Combiné à l’environnement favorable de BR2, notre dispositif permet d’obtenir une sensibilité sans précédent.
SoLid @ BR2
Après le déploiment d’un prototype de 8kg validant la réponse du détecteur et les conditions environnementales, un module à grande échelle de 288kg (SM1) a été construit et déployé avec succès à BR2. Les prises de données ont été menés début 2015. Les premiers résultats démontrent clairement les capacités et le potentiel de cette nouvelle technologie.
La prise de données physique, avec la totalité du détecteur, est quant à elle prévu pour commencer durant l’été 2016.
Ce projet est mené par une collaboration internationale rodée (Angleterre, Belgique, Etats Unis, France), composée de dix laboratoires regroupant une cinquantaine de physiciens. 2 phases sont prévues, la première débutant en 2016 pendant 2 ans atteignant 2t de volume cible et une deuxième phase utlisant en plus la technologie Chandler en développement à Virginia Tech (mix de la technologie SoLid et Lens).
Subatech est impliqué depuis le commencement du projet dans des contributions clefs : conception mécanique, calculs de cœur BR2 et spectres antineutrinos associés, simulation géant4 et analyse des données. Subatech a en charge le groupe réacteur (SCK-CEN, LPC Caen, Subatech) ainsi que la coordination de l’analyse de l’expérience SoLid.
SoLid Module 1 deployed at BR2, IBD candidate from data
SoLid sensitivity for the two phases
Contact : Frederic Yermia (Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.)
Quelque reference :
http://pos.sissa.it/archive/conferences/234/071/EPS-HEP2015_071.pdf
http://pos.sissa.it/archive/conferences/234/080/EPS-HEP2015_080.pdf
http://pos.sissa.it/archive/conferences/234/086/EPS-HEP2015_086.pdf
http://pos.sissa.it/archive/conferences/234/083/EPS-HEP2015_083.pdf
The SoLid experiment will address and solve one of the most outstanding issue in neutrino physics: the experimental neutrino oscillation anomalies that are pointing towards the existence of a new neutrino state with a mass of around 1 eV.
Neutrino oscillation, which has received the Nobel prize this year has far reaching consequences showing neutrino have mass. A result that shows the Standard Model needs to be extended. As such the neutrino sector is the first door opened beyond the standard model or Particle physics. The discovery of a purely neutral particle at 1 eV would profoundly shake our current understanding of the universe adding a completely new component to the universe.
The best way to tackle this problem is to make a measurement close to a reactor core < 10m were little is known and were the oscillation effect would be most prominent.
Using reactor antineutrinos, a large statistical sample can be accumulated quickly and combined with the well known IBD cross section the best way to obtain an unambiguous result.
This measurement presents a new challenge which call for a new type of technology. Operation of detector on the surface and very close to research reactor core. It requires the miniaturisation of a neutrino detector system which has consequences to the containment of energy unlike the current state-of-the-art detectors deployed at long baseline experiments. The SoLid technology solve this problem by a localisation of the IBD products close the vertex and a high segmentation to image external and internal background which also solve the energy containment problem. The BR2 research reactor demonstrated to be a low background environment suitable for this kind of measurement close to a reactor and the surface.
This experiment uses a novel approach to detect anti-neutrino with a highly segmented detector based on Lithium-6. With the combination of high granularity, high neutron-gamma discrimination using 6LiF:ZnS(Ag) and precise localization of the Inverse Beta Decay products, a better experimental sensitivity can be achieved compared to other state-of-the-art technology. This compact system requires minimum passive shielding allowing for very close stand off to the reactor. The experimental set up of the SoLid experiment and the BR2 reactor, the new principle of neutrino detection and the detector design made the experiment one of the main suitable experiment for the sterile neutrino search. Along with this world leading measurement, this project will deliver the best flux measurement of 235U, the key ingredient of flux prediction for future experiments.
SoLid @ BR2
A reduced-size prototype (4x4x4 cubes ; 8kg), has already been constructed in June. BR2 granted the installation of the prototype at 5.5 meters of the core, after only two weeks that demonstrated that there is no major safety issue with the technology. The prototype has been commissioned and itook data at BR2, with reactor OFF and ON. Results, which are very promising, demonstrate the low reactor background level and we can distinguish signal from background. The prototype demonstrates the main advantages quoted above.
Finally, one module (SM1) has been built by the SoLid collaboration, funded by Subatech (Mines Carnot) and installed at BR2 at 5.5 m from the core, at the end of 2014 for commissioning and for many days of data taking before the BR2 2015 stop. This first phase of the SoLid project is, first, providing the expertise for the detector construction and its rationalization and for a better understanding of the full size detector response. However, the first promising analysis demonstrates clearly the expected performance. The Inverse Beta decay analysis is currently in progress.
SoLid Module 1 deployed at BR2, IBD candidate from data
This project is lead by a international collaboration (Belgium, France, UK, US) composed of 10 laboratories
The SoLid experiment gather an international collaboration of about 50 physicists distributed in 10 laboratories comprising three partners in France (IN2P3 laboratories), six partners in Europe (UK and Belgium) and one in the United States. LAL and Virginia Tech have joined SoLid this year. This illustrates both the important role of the French institutes in the SoLid collaboration as well as the research potential of the experiment and interest of the world-wide neutrino physics community.
The experiment is split in two phases:
Phase I : Probe the high value of ∆m2 using 150 days of running and a 2t detector at 5.5 m.
Phase II : Precision phase with the additional CHANDLER module (1t) that will come from the ongoing Virginia Tech’s R&D (based on the mix-up of the SoLid technology and the LENS technology [LENS] with expected dE/E ~ 6%/sqrt(E)).
The total detector will enable a competitive and timely search of oscillation corresponding to the mass splitting region ~ 0.6-2.5 eV2 , probing most of the region of the reactor and Gallium anomalies and a large fraction of the low mass area. The SoLid situation remains very competitive in terms of data accumulation. The estimated sensitivity that the SoLid experiment will have to 3+1 sterile neutrino models as a function of the oscillation parameters sin2(2theta) and Delta(m2) is shown Fig. 3. The 95% confidence level after Phase I and the 3 sigma sensitivity with Phase II are shown Fig. 3. The 95% confidence level parameter space from the reactor and gallium anomalies are in blue and red, respectively.
TheSubatech laboratory had a central role in the R&D phase of SoLid with contribution to the design. He is also involved in the core simulation, the calculation of the neutrino flux (reactor working group), the GEANT4 simulation and the SM1 analysis. Subatech is in charge of the physics coordination of the SoLid experiment.
SoLid sensitivity for the two phases
Contact person: Frederic Yermia, Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.
Some references :
http://pos.sissa.it/archive/conferences/234/071/EPS-HEP2015_071.pdf
http://pos.sissa.it/archive/conferences/234/080/EPS-HEP2015_080.pdf
http://pos.sissa.it/archive/conferences/234/086/EPS-HEP2015_086.pdf
http://pos.sissa.it/archive/conferences/234/083/EPS-HEP2015_083.pdf
L’expérience JUNO, basé dans le sud de la Chine auprès de 2 centrales nucléaires (L=50km), est une collaboration internationale d’une trentaine d’institutions. Le détecteur sera une sphère remplie de 20kt de liquide scintillant lu par environ 15000 PMTs, devenant ainsi le plus grand détecteur liquide scintillant avec la plus importante production/collection de lumière jamais obtenue. JUNO cherche à mesurer, à travers la détection des neutrinos des réacteurs, la hiérarchie de masse atmosphérique avec 4 sigma de sensibilité mais également les paramètres « solaires » (θ12 et Δm2) avec une précision de 1 %. L’expérience compte sur une précision sans précédente (3% de résolution en énergie) dans la mesure du spectre en énergie des neutrinos et de sa distorsion en forme. Au delà de ces premiers objectifs scientifiques, il est attendu que JUNO devienne le meilleur observatoire de neutrinos des supernovas (en cas d’explosion dans notre galaxie) et puisse mesurer des milliers de neutrinos venant de la Terre (géo-neutrinos) mais aussi du soleil et d’autres sources.
Le groupe de Subatech cherche à s’investir dans la partie multi-calorimétrie (lecture du volume cible par des PMTs 20’ et 3’) et électronique associée, ainsi que sur le systeme d’aquisition de données capable d’assurer la prise de données en cas d’effondrement d’une supernova dans la galaxie (un million d’évènements en quelques secondes à acquérir).
Contact : Frederic Yermia (Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.)