Dpuis les évènements de Fukushima, on constate un regain d'intérêt sur les études associées aux lits de débris de combustible et des matériaux de structure. Une des questions encore en suspens dans le domaine des réacteurs à eau est la maitrise des conditions de sous-criticité des lits qui reste incertaine. La composition, ainsi que sa géométrie, la modération locale, ne sont pas toujours bien connues et des hypothèses conservatrices doivent être prises. En particulier, la taille des débris et leur répartition est un sujet complexe. Les dernières méthodes développées dans les outils de calcul Monte Carlo tels que TRIPOLI-4 pour le traitement des géométries aléatoires ou stochastiques peuvent être mises en œuvre pour représenter la répartition de tels lits.

Dans le cadre des études de conception de la future installation ZEPHYR (Zero power Experimental PHYsics Reactor) en cours au CEA, nous étudions la possibilité d'étendre l'utilisation de l'installation sur des études de type sûreté/criticité. La conception de tels programmes expérimentaux permettrait de répondre à un besoin crucial de la physique de tels systèmes, qui est la maitrise à la fois de la sous-criticité, mais également de l'incertitude associées. En l'absence de données expérimentales, seules les incertitudes propagées des données nucléaires peuvent permettre d'estimer les marges à la criticité.

La constitution d'une base de donnée expérimentales est donc fondamentale pour l'amélioration des marges de sûreté/criticité liées à ce type d'événements. Les études couvriront à la fois les combustibles UO2, pour des enrichissements compris entre 2 et 7%, mais également les MOX, pour des teneurs en Pu comprises entre 7% et 12%. Des hypothèses seront faites sur la taille des fragments, dont les dimensions sont détaillées dans la littérature (voir références).

Sujet du stage
L'étudiant participera à la conception d'une série de configurations représentatives de réacteurs à eau, constituée d'une zone centrale dans laquelle on représentera, dans un volume limité (à définir par l'effet en réactivité), le lit de débris. Cette zone centrale sera entourée d'une zone nourricière constituée de crayons UO2 enrichis à 3,7% en eau légère borée, permettant la criticité du massif expérimental. A l'aide du code TIRPOLI et des fonctionnalités de génération de géométries stochastiques, l'étudiant mettra en place une approche analytique des marges à la criticité attendue en fonction des conditions géométrique et de composition du lit de débris : dimensions et répartition des débris, enrichissement. Les paramètres étant nombreux, on se focalisera en priorité sur deux d'entre eux : enrichissement et porosité du lit (comportant également le renoyage pour cette dernière). La référence 1 servira de point de départ.

Si le stage se déroule de manière optimale, le sujet pourra être étendu sur une thèse permettant d'étendre le sujet sur la faisabilité de configurations rapides à spectre adapté pour l'extension d