Thèse présentée pour obtenir le grade de Docteur ès Sciences Physiques

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Thèse présentée pour obtenir le grade de Docteur ès Sciences Physiques de l'Université Louis Pasteur Strasbourg I Spécialité : Physique des Réacteurs par Benoit Geslot Thèse Contribution au développement d'un système de mesure multimode pour des mesures neutroniques dynamiques et traitement des incertitudes associées ? ? ? ? ? ? ? Thèse soutenue publiquement le 14 novembre 2006 Membres du Jury : Directeur de Thèse : Pr. Benoît Gall, ULP Co-directeur de Thèse : Dr. Christian Jammes, CEA Rapporteur Interne : Pr. Jean-Claude Sens, ULP Rapporteur Externe : Pr. Paul Reuss, INSTN Rapporteur Externe : Dr. Abdallah Lyoussi, CEA Examinateur : M. Serge Marguet, EDF Laboratoire d'accueil : CEA / DEN / DER / SPEx / LDCI Thèse ? ?

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  • méthode

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  • dédale des codes de calcul déterministes

  • grade de docteur en sciences physiques

  • systèmatique des méthodes d'analyse

  • ton optimisme


Publié le : mercredi 1 novembre 2006
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Nombre de pages : 306
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Thèse présentée pour obtenir le grade de ■
Docteur ès Sciences Physiques

de l’Université Louis Pasteur
■ Strasbourg I





■ Thèse


Spécialité : Physique des Réacteurs
■ par Benoit Geslot



Contribution au développement d’un système de mesure

multimode pour des mesures neutroniques dynamiques

et traitement des incertitudes associées








■ Thèse soutenue publiquement le 14 novembre 2006



■ Membres du Jury :

Directeur de Thèse : Pr. Benoît Gall, ULP
Co-directeur de Thèse : Dr. Christian Jammes, CEA

Rapporteur Interne : Pr. Jean-Claude Sens, ULP

Rapporteur Externe : Pr. Paul Reuss, INSTN

Rapporteur Externe : Dr. Abdallah Lyoussi, CEA

Examinateur : M. Serge Marguet, EDF

Laboratoire d’accueil : CEA / DEN / DER / SPEx / LDCI
















Remerciements



Je souhaite avant tout remercier Mme Chantal Mergui de m’avoir accueilli au sein du
Service de Physique Expérimentale du CEA de Cadarache et m’avoir permis d’effectuer
cette thèse dans les meilleures conditions.

Je remercie aussi M. Frédéric Berhouet, chef du Laboratoire de Dosimétrie et Contrôle
Commande, ainsi que M. Philippe Fougeras, chef du Laboratoire de Physique Expéri-
mentale, de m’avoir cordialement accueilli dans leurs laboratoires.

Je suis très reconnaissant à MM. Reuss, Sens, Lyoussi et Marguet d’avoir accepter de faire
partie de mon jury, témoignant ainsi de l’intérêt qu’ils portent à mon travail de thèse.

Mes remerciements vont aussi tout naturellement à M. Benoît Gall, professeur à l’université
Louis Pasteur, qui a dirigé ce travail de thèse depuis Strasbourg. Malgré la distance et un
emploi du temps chargé, il a su être présent aux moments opportuns. Ce mémoire de thèse,
notamment, doit beaucoup à sa relecture attentive.

Bien entendu, cette thèse n’aurait pu aboutir sans l’encadrement au jour le jour de
M. Christian Jammes. Merci, Christian, pour ton soutien, tes conseils, ton expérience, mais
aussi ta con ance et ton optimisme. Ce fut un plaisir de travailler avec toi, mais aussi de
discuter musique, économie et politique… J’ai beaucoup appris, au cours de ces trois
années, et tu n’y es pas pour rien.

Merci aussi à tous les agents du LPE et du LDCI, mes deux laboratoires d’accueil, pour
l’ambiance de travail, détendue et studieuse. Merci à Patrick Blaise et Jean-Pascal Hudelot
d’avoir accepté de me donner un peu de leur temps pour répondre à mes questions de
néophite. Merci à Frédéric Mellier et à Georges Imel de m’avoir éclairé sur le fonction-
nement des programmes expérimentaux. Merci à Nadyne, notre secrétaire émérite, pour
son aide et sa bonne humeur. Merci à Christophe Destouches pour ses remarques et son
soutien lors de la rédaction de ce mémoire. Merci aussi à Ludovic Oriol pour ses conseils
avisés et nos discussions à batons rompus sur les sujets les plus divers.

Je n’oublie pas non plus Jacques Di Salvo, Christophe Doderlein et Marie-Claire Allet, du
Laboratoire de Propulsion Nucléaire. Sans leur expertise et leur aide active, je me serais
certainement perdu dans le dédale des codes de calcul déterministes.

En n, je remercie mes parents, mon frère et Anne, pour leur soutien inconditionnel et
pour m’avoir supporté stoïquement durant ces mois de rédaction.

i






ii

Résumé


L’estimation des paramètres intégraux des réacteurs est particulièrement délicate dans le cas
des cœurs fortement sous-critiques. En effet, les méthodes neutroniques standard ont été
quali ées pour des niveaux de réactivité proches de zéro et nécessitent souvent une
référence à un état critique. Cette thèse s’inscrit dans le cadre de la recherche sur les ADS
(Accelerated Driven Systems), systèmes pour lesquels le coe cient de multiplication serait
plutôt de l’ordre de 0.95, et s’articule autour du développement du système X-MODE. Il
s’agit d’un système de mesure polyvalent dédié à la réalisation des mesures de neutronique
expérimentale. La première partie est consacrée à la quali cation du système d’acquisition.
Celui-ci est capable de traiter des signaux logiques, notamment en mode datation, ainsi que
des signaux analogiques. La seconde partie de la thèse présente une étude statistique
systèmatique des méthodes d’analyse des transitoires de puissance. En effet, il existe de
nombreuses méthodes, dont certaines méconnues, pour analyser ces mesures standard en
neutronique. On s’attache à estimer les caractéristiques des différents estimateurs de la
réactivité, à comparer les méthodes entre elles, ainsi qu’à fournir des recommandations
d’utilisation. Enn, les résultats de l’étude précédente sont utilisés pour analyser et discuter
les résultats des mesures dynamiques de la première phase du programme TRADE. Au
cours de ce programme, trois con gurations sous-critiques ont été étudiées en appliquant
différentes méthodes. Il ressort que la mesure de source de neutrons pulsée constitue une
mesure de la réactivité beaucoup plus précise que les transitoires de puissance.


Abstract


It is di cult to estimate integral reactor parameters, especially reactivity, in deeply
subcritical cores. Indeed the standard neutronic methods have been designed for near
critical reactivity levels and they often need a critical reference. This thesis takes part in the
research on ADS (Accelerated Driven Systems), for which the multiplication coe cient
would be about 0.95. The rst part of the thesis deals with the development of the X-
MODE system. It is a exible measurement system dedicated to experiments in neutronics.
X-MODE is capable of acquiring logical signals particularly in time-stamping mode as well
as analogical signals. The second part of the thesis presents a statistical study of the
methods used to analyse ux transients. Indeed a lot of methods exist to analyse ux
transients and some are little known. Means to estimate caracteristics of reactivity
estimators are provided, methods compared and recommandations made. Finally, the
dynamic measurements of the TRADE program are analysed and discussed. During this
program, three subcritical con gurations were explored. It appears that pulsed neutron
source experiments give reactivity estimations that are much more precise than those
obtained from ux transients.




iii
iv


Table des Matières


Introduction générale ........................................................................... 1
Notations ..............................................................................................5
Partie I
Neutronique et transitoires de puissance ................................. 7
Chapitre 1
Eléments de neutronique .....................................................................9
1.1 Dé nition des grandeurs d’intérêt en neutronique..........................................10
1.1.1 Sections e caces ..................................................................................................10
1.1.2 Neutrons retardés et précurseurs.......................................................................10
1.1.3 Coe cient de multiplication neutronique.........................................................11
1.1.4 Réactivité ...............................................................................................................11
1.1.5 Durée de vie et temps de génération.................................................................12
1.2 Obtention des équations de la cinétique ponctuelle........................................12
1.2.1 Approche heuristique ..........................................................................................12
1.2.2 Calcul à partir de l’équation du transport .........................................................14
1.2.3 Résolution analytique des équations de la cinétique point .............................19
1.3 La mesure en neutronique expérimentale24
1.3.1 L’e cacité de détection .......................................................................................24
1.3.2 Sources d’incertitude............................................................................................25
Chapitre 2
Etat de l’art des méthodes d’analyse des transitoires de puissance... 29
2.1 Méthode du saut prompt.....................................................................................30
2.1.1 Formulation de l’estimateur du saut prompt....................................................30
2.1.2 Variante des trois points......................................................................................31
2.1.3 In uence des effets spatiaux...............................................................................32
2.2 Méthode d’intégration du ux............................................................................33
2.2.1 Formulation de l’estimateur IF...........................................................................33
v 2.2.2 Estimation des incertitudes.................................................................................34
2.2.3 Corrections de la méthode IF ............................................................................35
2.3 Inversion des équations de la cinétique ............................................................36
2.3.1 Formulation de l’équation inverse .....................................................................36
2.3.2 Méthode standard ................................................................................................37
2.3.3 Ajustement de la source ......................................................................................38
2.3.4 Méthode des trois groupes..................................................................................38
2.4 Ajustement non linéaire du ux.........................................................................40
2.4.1 Description de l’algorithme des moindres carrés ............................................41
2.4.2 Méthode Carpenter..............................................................................................43
2.5 Conclusion ............................................................................................................44
Partie II
Etude d’un système de mesure neutronique ...........................45
Chapitre 3
Présentation du projet X −MODE...................................................... 47
3.1 Cadre du développement du projet...................................................................48
3.1.1 Dé nition générale d’un système de mesure....................................................48
3.1.2 Objectifs du projet X −MODE..........................................................................50
3.2 Caractéristiques du système d’acquisition.........................................................52
Chapitre 4
Fonctionnement du mode logique..................................................... 55
4.1 Module de déclenchement..................................................................................55
4.2 Utilisation du module datation...........................................................................57
4.2.1 Fonctionnement détaillé......................................................................................57
4.2.2 Mesure de source de neutrons pulsée ...............................................................58
4.2.3 Mesures de bruit neutronique ............................................................................60
4.2.4 Quali cation et performances du mode datation............................................64
4.3 Utilisation du mode de comptage MCS............................................................68
4.3.1 Fonctionnement détaillé68
4.3.2 Quali cation et performances du mode MCS .................................................70





vi Chapitre 5
Fonctionnement du mode analogique ............................................... 71
5.1 Module échantillonnage.......................................................................................71
5.1.1 Fonctionnement détaillé......................................................................................71
5.1.2 Calibration et performances de l’échantillonnage............................................72
5.1.3 Mesure de uctuations.........................................................................................77
5.2 Utilisation du mode PHA ...................................................................................80
5.2.1 Fonctionnement détaillé81
5.2.2 Comparaison de trois algorithmes PHA...........................................................81
5.2.3 Performances du mode PHA .............................................................................89
Partie III
Etude et simulation des transitoires de puissance ................. 95
Chapitre 6
Optimisation des méthodes d’analyse des transitoires de puissance 97
6.1 Position du problème et dé nitions ..................................................................98
6.1.1 Notations...............................................................................................................98
6.1.2 Principe de l’estimation .....................................................................................100
6.1.3 Sources d’incertitudes et de biais .....................................................................101
6.2 Méthodologie de l’étude....................................................................................102
6.2.1 Simulation............................................................................................................102
6.2.2 Caractérisation des estimateurs ........................................................................104
6.3 Etude paramétrique et caractérisation des méthodes....................................106
6.3.1 Performances de la méthode du saut prompt (SP) .......................................107
6.3.2 Performances de la méthode d’intégration du ux (IF) ...............................108
6.3.3 Inversion des équations de la cinétique (IC) ..................................................113
6.3.4 Ajustement non linéaire du ux (AF)..............................................................127
Chapitre 7
Influence des paramètres des groupes de neutrons retardés ............137
7.1 Mesure des paramètres des groupes de neutrons retardés ...........................138
7.1.1 Généralités...........................................................................................................138
7.1.2 Modélisation de la source de neutrons retardés.............................................140
7.1.3 Méthodologie de mesure...................................................................................143
7.1.4 Comparaison de quelques jeux de paramètres pour l’uranium 235 ............144
7.2 Simulation des paramètres des neutrons retardés..........................................146
7.2.1 Objectifs et méthodologie.................................................................................146
vii 7.2.2 Construction des données nucléaires des précurseurs..................................147
7.2.3 Construction des jeux de paramètres de neutrons retardés.........................150
7.3 Estimation de la réactivité avec les données nucléaires ajustées.................152
7.3.1 Influence du modèle d’ajustement...................................................................153
7.3.2 Application à l’analyse de données expérimentales.......................................155
7.4 Conclusion ..........................................................................................................162
Chapitre 8
Influence des effets spatiaux sur l’estimation de la réactivité...........163
8.1 Position du problème ........................................................................................164
8.1.1 Modélisation des effets spatiaux sur la réponse du détecteur......................164
8.1.2 Con guration SC0 du cœur trade....................................................................165
8.1.3 Mise en évidence des effets spatiaux dans le cœur TRADE ..........................166
8.1.4 Méthodologie de l’étude....................................................................................167
8.2 Modélisation du cœur TRADE SC0 ..................................................................167
8.2.1 Présentation du schéma de calcul ....................................................................167
8.2.2 Résultats de la simulation des transitoires de puissance...............................170
8.3 Analyse des transitoires simulés avec le code CRONOS2...............................174
8.3.1 Estimation de la réactivité avec les méthodes standard................................174
8.3.2 Correction des effets spatiaux avec la méthode Carpenter..........................175
8.3.3 Limites de la méthode Carpenter.....................................................................177
Partie IV
Mesures réalisées dans le cadre du programme TRADE........ 183
Chapitre 9
Cadre et objectifs du programme TRADE ..........................................185
9.1 Généralités sur les ADS ....................................................................................186
9.1.1 Contexte de la recherche sur les ADS.............................................................186
9.1.2 Principe des systèmes ADS ..............................................................................188
9.1.3 Eléments de conception d’un réacteur ADS..................................................191
9.2 Objectifs du programme TRADE......................................................................194
9.2.1 Le programme MUSE-4......................................................................................194
9.2.2 me TRADE .......................................................................................196



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