Coefficient de vide (modérateur)

Bonjour à tous! je m'intéresse depuis peu au fonctionnement des réacteurs nucléaires et une notion m'interpelle particulièrement, c'est celle de "coefficient de vide". Il m'avait semblé avoir bien compris le principe puis je suis tombé sur cet article

Selon moi, un réacteur avec un coefficient de vide négatif agit de la sorte : Lors de la réaction en chaîne, la chaleur produite vaporise l'eau ce qui a pour effet de freiner cette même réaction du fait que l'eau (moins dense) perd alors ses propriétés de modérateur et donc ralentit l’absorption des neutrons par les atomes d'uranium. De ce fait, une excursion du réacteur provoque un ralentissement de l'activité du réacteur jusqu'à son arrêt total.

C'est ce que la page wikipedia du sujet explique par cette phrase:

Citation :

si la puissance neutronique augmente, la densité de l'eau diminue, ce qui a pour effet de diminuer la densité du modérateur (l'eau est à la fois caloporteur et modérateur), d'où une diminution de la puissance.

Mais lorsque le premier article parle des réacteurs à coef. de vide positif (comme les RBMK de Tchernobyl) il parle du même phénomène en décrivant un effet inverse :

Citation :

Quand elle se vaporise l’eau devient moins dense, davantage de neutrons sont disponibles pour la fission : le dégagement d’énergie s’emballe.

Il mentionne également le coef de vide négatif du combustible qui lors de l'augmentation de la température capture plus de neutrons par l'effet Doppler. Si quelq'un est capable de clarifier cela, je lui en serai reconnaissant !
Je pense qu'un élément m'échappe et j'aimerais savoir lequel, merci d'avance !

Bonsoir
Il faudra que je regarde plus précisément, mais si je lis l'article wikipédia :
Les REP ont un coefficient de vide négatif donc auto-stabilisant :
Un coefficient de vide négatif (cas des réacteurs à eau pressurisée du parc français¹) correspond à un effet auto-stabilisant de la réaction nucléaire : si la puissance neutronique augmente, la densité de l'eau diminue, (et donc une augmentation des bulles de vapeurs) ce qui a pour effet de diminuer la densité du modérateur (l'eau est à la fois caloporteur et modérateur), d'où une diminution de la puissance.
C'est d'ailleurs ce qu'on trouve dans le livre de Paul Reuss (Traité de neutronique)

A la suite on lit
En revanche, un coefficient de vide positif correspond à un auto-emballement potentiel du réacteur ; c'est l'un des facteurs qui ont amené à la catastrophe de Tchernobyl.

Sur le site de l'ASN on trouve une définition du :
Coefficient de vide

Coefficient qui traduit la variation du facteur de multiplication d'un réacteur lorsque le modérateur forme plus de vides (zones de moindre densité telles que des bulles de vapeur dans l'eau) que la normale. Si ce coefficient est positif, un excès de vapeur se traduira par une augmentation de la réactivité et, par conséquent, une augmentation de la puissance. S'il est négatif, l'excès de vapeur tendra au contraire à arrêter le réacteur.

Avec un plus sur le site de la radioactivité.com
Peut-être plus explicite :
http://www.laradioactivite.com/site/pages/Defauts_RBMK.htm

Il faudra que je regarde le chapitre sur les RBMK dans les techniques de l'ingénieur mais je ne les ai pas sous la main ce soir.

Iron Kloug

Salut,
je peux me tromper mais il me semble qu'il y a une grosse différence de conception entre les réacteurs à coef positif et négatif.
Dans le premier cas par exemple avec les REP, le modérateur est le caloporteur, donc la disparition de l'eau va moins modérer et donc moins générer de neutrons thermiques capables de créer des fissions.
Tandis que dans le RBMK (par exemple) le modérateur (le graphite) est différent du caloporteur (l'eau).
Donc s'il y a disparition de l'eau, le modérateur reste en place (outre l'effet Doppler, les changements des sections efficaces d’absorption, l'instabilité dans les basses puissances & co...).
Dans la technologie RBMK avec de l'uranium faiblement enrichi et de l'eau légère, l'enjeu est d'ajuster le fonctionnement pour compenser le grand pouvoir d'absorption des protons (cad avec une masse proche des neutrons) pour former du deutérium.
S'il y a disparition du caloporteur, il y a disparition de cette absorption et donc beaucoup plus de neutrons pouvant entrer en jeu dans les fissions.
Je devrais remettre la main sur quelques cours demain dans la journée

Bonsoir 
Oui c’est tout à fait ça à cause du modérateur qui n’est pas de l’eau dans les RBMK
Plus besoin d’aller voir les techniques de l’ingé
Merci Kokura
Iron Kloug

Merci pour vos réponses, effectivement j'avais le sentiment que l'enjeu était là, cependant l'article parle du coef négatif du combustible sans faire allusion au modérateur graphite...

Citation :

Le coefficient de température négatif du combustible va dans le bon sens : quand la température augmente, davantage de neutrons sont capturés du fait de l’agitation thermique (effet Doppler) et donc perdus pour la fission.

Ce qui voudrait dire que les capacités d'absorption du modérateur varient en fonction de la température ? pourquoi parler du coef de température du combustible ?


Sur la page wikipedia anglosaxone du RBMK j'ai trouvé une explication plus claire, mais celle ci ne fait pas allusion à ce phénomène. En revanche elle précise bien que l'enjeu se trouve dans les capacités d'absorption de l'eau légère qui, bien qu'elle est le rôle de caloporteur, contribue à absorber les neutrons en petite quantité mais suffisamment pour jouer un rôle important dans la réaction en chaîne.

Citation :

light water's neutron-absorption capability practically disappears when it boils. This allows more neutrons to fission more U-235 nuclei and thereby increase the reactor power, which leads to higher temperatures that boil even more water, creating a thermal feedback loop.

Ce qui m'amène à une autre question, comment se fait t-il que cette instabilité ne se manifeste qu'à faible puissance, alors que les barres de contrôles sont descendues et donc que l'eau ne devrait pas trop bouillir? La réponse pourrait se trouver dans ma précédente question sur ce fameux effet Doppler?

Bonjour
Il faut que je reprenne le traité de neutronique mais je en suis pas chez moi jusqu'à lundi (un avantage d'être en très grandes vacances).
L'effet Doppler est une possibilité.
De mémoire je crois que l'enfoncement des barres de contrôles sur un RBMK (pour qu'il fonctionne à faible puissance) faisait qu'il y avait des variations importantes de flux neutronique dans le cœur entraînant une instabilté.
Iron Kloug

Si tu as plus d'informations je suis preneur! Mais je pense qu'effectivement l'explication réside là, d'après cette page wikipedia (j'ai du mal à trouver une explication aussi claire autre part) :

Citation :

Quand la température du combustible augmente, les résonances s'élargissent et donc les captures neutroniques (stériles) augmentent entraînant une baisse du flux neutronique et donc une baisse du nombre de fissions ce qui entraîne une diminution de la puissance produite. L'effet Doppler est un des effets auto-stabilisant (comme l'effet modérateur) des REP. C'est un effet bénéfique recherché pour la sûreté intrinsèque des réacteurs nucléaires.

L'effet Doppler se produit donc au sein du combustible... Il existe des graphiques montrant l'évolution de la section efficace de différents isotopes de l'uranium selon l'énergie des neutrons émis et je serais curieux de savoir si il est possible de combiner ces éléments (section efficace de l'uranium, capacité d'absorption neutronique et densité de l'eau, température, taux de probabilité de fission, etc...) pour illustrer le moment critique ou le coef. positif de l'eau prend le dessus sur celui négatif du combustible. Encore merci !

Bonjour,
LEs noyaux constituants la matière ne sont pas immobile. Ces mouvements impactent les resonances de section efficace de capture. L'U8 etant capturant et majoritaire dans un réacteur, l'effet doppler augmente la probabilité de capture et donc diminue la réactivité.: quand la puissance du réacteur augmente, la température augmente les resonances de SE s'élargissent et le taux de capture augmente ce qui fait baisser la réactivité. A priori la réactivité baisse de -3pcm/°C (pcm unité de réactivité :1/100000).
Merci au CEA pour l'explication.
COrdialement.

Salut à tous,
Je m'intéresse également au sujet, et ne comprend toujours pas pourquoi sur les réacteurs RBMK, le coeff de vide est négatif si le réacteur tourne à puissance nominale (effet dopler autorégulant), mais devient positif si le réacteur tourne à faible puissance. Quelle différence y a t-il entre un réacteur qui tourne à pleine puissance et un réacteur qui tourne à faible puissance ?
Merci par avance.

Ou peut être que la question devrait plutôt être posée dans ce sens : pourquoi le coeff de vide est il négatif si les barres de contrôle sont relevées (puisse nominale du réacteur) mais positif si les barre de contrôle sont descendues (puissance du réacteur faible). Ce sont les barres de contrôles qui influent sur la positivité ou la négativité du coeff de vide ?

Bonjour
Il faudrait que j'ai mes docs mais je suis à l'extérieur.
Il y a peut-être un effet des barres de contrôle.
Je regarderai.
Iron kloug

Je viens de trouver un bout d'explication sur http://theses.univ-lyon2.fr/documents/getpart.php?id=lyon2.2003.foasso_c&part=76418

Or un inconvénient des réacteurs RBMK est de présenter un coefficient de vide positif. Du fait des quantités respectives de combustible et de graphite et de leurs dispositions, le ralentissement des neutrons est essentiellement assuré par le graphite. L'eau de refroidissement n'ayant plus à jouer de rôle de modération se contente d'absorber les neutrons du cœur. Avec l'augmentation de sa température, sa densité diminue et elle absorbe moins de neutrons, et ceci est d'autant plus vrai si elle est vaporisée : quand la température augmente, la proportion des neutrons disponibles pour la fission augmente donc et provoque l'augmentation de la puissance du réacteur, augmentant l'échauffement et l'évaporation et ainsi de suite. Le coefficient de vide (avec la vaporisation de l'eau un vide se crée) est donc positif, ce qui rend le système particulièrement instable pour certaines plages de température. Ce coefficient de vide est d'autant plus positif que les grappes de contrôle sont retirées du cœur. D'autres phénomènes interviennent cependant comme le coefficient de température du combustible qui est lui négatif, et dont la valeur augmente avec la température ce qui vient contrebalancer le phénomène précédent. La stabilité du cœur est fonction du coefficient global de puissance qui est la somme de ces deux effets. Ce coefficient global de puissance est négatif pour les puissances élevées mais il s'avère positif pour les puissances inférieures à 700 MW thermiques


En fait ce n'est pas le coeff de vide qui devient positif ou négatif selon la puissance du réacteur, le coeff de vide, si je comprend bien, est toujours positif, mais il est contrebalancé par le coeff de température qui est lui négatif. C'est la somme de ces deux coeff qui serait soit positive soit négative selon la puissance du réacteur ?

Peut être que la courbe d'évolution des deux coeff n'est pas linéaire, on pourrait donc imaginer qu'à pleine puissance, le coeff de température négatif est suffisamment grand pour contrebalancer le coeff de vide positif, donc le résultat est un coeff négatif auto-régulant.  Par contre à puissance réduite, si le coeff de température ne décroit pas linéairement, il est possible qu'il chute totalement et ne soit plus assez grand pour contrebalancer le coeff de vide positif, le résultat est donc un coeff positif très déstabilisant.

faites comme moi

visionnez le dernier episode de "CHERNOBYL" il explique tout aux profanes

   

Il n'explique pas pourquoi le coeff global (résultant de la somme du coeff de vide positif et du coeff de température négatif) est négatif à pleine puissance (auto-régulant) mais positif à puissance réduite, alors qu'en réalité, c'est là toute la question je trouve

Methodz a écrit:

Il n'explique pas pourquoi le coeff global (résultant de la somme du coeff de vide positif et du coeff de température négatif) est négatif à pleine puissance (auto-régulant) mais positif à puissance réduite, alors qu'en réalité, c'est là toute la question je trouve

Il faut relire le fil des réponses mais pour faire simple l'enjeu se trouve dans ce fameux effet doppler. A pleine puissance, la température augmente, les raisonnances s'élargissent (entre les atomes du modérateur et du combustible) et favorisent la capture des neutrons, ce qui fait baisser la réactivité.