Matériaux absorbants neutroniques pour le pilotage des réacteurs

1 - Généralités sur les matériaux absorbants

• 1.1 - Sections efficaces d’absorption neutronique
  Figure 1 - Sections efficaces macroscopiques d’absorption neutronique pour les matériaux les plus courants (teneur isotopique naturelle pour le B4C) Figure 2 - Effet d’auto-écran
• 1.2 - Critères de sélection des matériaux absorbants
• 1.3 - Différentes utilisations des absorbants dans les réacteurs
  Figure 3 - Assemblage combustible REP muni de sa grappe de commande Tableau 1
• 1.4 - Sources d’approvisionnement
  Figure 4 - Production annuelle d’oxydes de terres rares, d’après  : après 2000 les extractions traditionnelles (monazites) et les placers américains (Mountain Pass) deviennent négligeables devant la production chinoise (Tibet, Mongolie intérieure) Tableau 2
• 1.5 - La question des déchets
  Tableau 3

2 - Description des matériaux absorbants utilisés

• 2.1 - Alliage argent – indium – cadmium (AIC)
  Tableau 4 Tableau 5
• 2.2 - Carbure de bore B4C
  Figure 5 - Chaîne de transmutation simplifiée de l’AIC Figure 6 - Microstructure de l’AIC irradié (4 cycles REP) : les plages sombres correspondent à la phase hexagonale riche en étain, en proportion plus importante en périphérie du barreau, d’après Figure 7 - Sections efficaces microscopiques des réactions d’absorption neutronique par le 10B (n, α) et (n, 2α) en fonction de l’énergie cinétique des neutrons Figure 8 - Éléments structuraux de la maille cristalline du carbure de bore B4C Figure 9 - Coupes d’éléments absorbants [tubes en acier inoxydable austénitique X5CrNi18-10 (AISI 304) ou X5CrNiMo17-12-2 (AISI 316) contenant des pastilles cylindriques de carbure de bore] irradiés. La différence de mode de fracturation tient aux forts gradients, de captures neutroniques dans le cas des neutrons thermiques et de température dans le cas des neutrons rapides
• 2.3 - Titanate de dysprosium
  Figure 10 - Chaîne de transmutation simplifiée du dysprosium Figure 11 - Diagramme de phases du système Dy2O3-TiO2, d’après Figure 12 - Efficacité comparée des absorbants B4C naturel, AIC, Hf et Dy2TiO5 en spectre neutronique REP (pastilles ou barreaux diamètre 7 mm) en fonction de la durée d’irradiation
• 2.4 - Hafnium
  Figure 13 - Chaîne de transmutation simplifiée du Hf Figure 14 - Évolution des concentrations en 181Ta, 183W et 184W dans un élément absorbant en hafnium irradié en VVER, d’après Tableau 6 Tableau 7
• 2.5 - Poisons consommables et terres rares
  Figure 15 - Schéma de principe de l’utilisation de poisons consommables dans le cas de la recherche d’une augmentation de la durée de vie des éléments combustibles (soit par augmentation du nombre de cycles, soit par prolongation de la durée des cycles). Un combustible classique ne délivre plus suffisamment de puissance au bout de 4 cycles. Le combustible surenrichi peut être utilisé plus longtemps. L’écrêtage de puissance, réalisé par la présence d’un poison en début de vie, permet de ne pas modifier les seuils de régulation du réacteur. Figure 16 - Section efficace microscopique d’absorption neutronique des terres rares utilisables comme poison (les sections efficaces des différents isotopes absorbants sont considérées pour des concentrations relatives naturelles) Figure 17 - Chaîne de transmutation simplifiée du gadolinium Figure 18 - Chaîne de transmutation simplifiée de l’erbium Figure 19 - Chaîne de transmutation simplifiée du samarium Figure 20 - Chaîne de transmutation simplifiée de l’europium Figure 21 - Légende des figures donnant les chaînes de réactions et de décroissance. Les données proviennent essentiellement de l’AlEA (sections efficaces) et de BNL (périodes de décroissance)

3 - Conclusion, perspectives