Conception préliminaire de la protection biologique du « Top Lid » du Tokamak chez ITER
P. Martínez-Albertosa, P. Sauvana, J. Bergmanb, M. Loughlinb, Y. Le Tonquezeb, M. Thompsonb, R. Juáreza
Fusion Engineering and Design 195 (2023)
Pendant la phase d’exploitation du projet ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, signifiant également « le chemin » en latin), les équipements électroniques situés dans le hall au-dessus du tokamak seront exposés à d’importants flux de neutrons et de photons, émis à la fois par le plasma et l’eau activée.
Afin d’optimiser leur protection, il est indispensable d’installer un blindage spécifique sur la plateforme du hall et sur le couvercle supérieur du tokamak.
La conception du blindage doit tenir compte des contraintes imposées par le génie civil, notamment les limites de charge par unité de surface, tout en répondant aux exigences strictes de radioprotection. Cette étude analyse huit configurations de blindage, en évaluant les flux de neutrons et la dose accumulée sur une durée de 4 700 heures de fonctionnement à une puissance de 500 MW. Ces conditions correspondent à une charge neutronique de 0,3 MW/m², conformément aux spécifications du projet ITER.
Une approche innovante, basée sur des sources intermédiaire, a été adoptée. Cette méthode intègre l’ensemble des sources de rayonnement pertinentes tout en optimisant les temps de calcul. Les résultats de ces analyses ont été présentés lors de l’examen de l’étude conceptuelle afin d’appuyer le processus décisionnel, notamment en ce qui concerne la protection biologique du Top Lid.
L’étude montre que l’utilisation du Mortar 075 permet une réduction importante du débit de dose pour garantir la protection souhaitée des équipements électroniques critiques au-dessus du Tokamak.
METHODE :
Le modèle MCNP (simulation Monte Carlo à N particules) le plus récent du complexe Tokamak a été utilisé pour évaluer tous les scénarios, avec des ajustements spécifiques intégrant diverses configurations de blindage. L’objectif principal était d’identifier la configuration optimale en termes de choix des matériaux, d’épaisseur et, surtout, de poids par unité de surface, afin de garantir une radioprotection efficace du Top Lid.
Une large gamme de matériaux innovants a été développée et analysée, incluant notamment le tout nouveau mortier boré MORTAR 075, issu de la gamme Novashield® HE (Haute Efficacité) développée par Lemer Pax.
RESULTATS :
Dans toutes les configurations étudiées, environ 95 % des doses mesurées sont attribuées aux photons, principalement issus de la désintégration de l’¹⁶N (azote-16) dans les circuits d’eau. Le flux de neutrons, quant à lui, est dominé par les neutrons du plasma, la contribution des neutrons provenant de la désintégration de l’¹⁷N (azote-17) étant négligeable.
Toutes les configurations analysées respectent les limites de sécurité établies pour l’électronique critique installée sur les plateformes L4, tant sur le côté Nord que Sud, où ces systèmes seront déployés. Des cartes de rayonnement 3D détaillées, avec une résolution fine, confirment ces conclusions pour l’ensemble des scénarios évalués.
Une comparaison entre deux scénarios révèle que le MORTAR 075 de Lemer Pax présente une meilleure protection par rapport au mortier boré standard en tant que blindage neutronique. En moyenne, une amélioration de 70 % de la réduction du flux est observée sur tous les points de mesures.
PRINCIPALES CONCLUSIONS :
Toutes les configurations envisagées se situent dans les limites de sécurité d’ITER pour l’électronique critique sur les plateformes Nord et Sud. Toutefois, il sera nécessaire d’optimiser encore la conception du blindage du couvercle pour équilibrer les effets des neutrons et des photons sur l’environnement radiatif du hall de la grue.
- L’environnement radiatif du hall pendant le fonctionnement comprend à la fois des champs de neutrons et de photons, générés par le plasma et l’eau activée.
- Le mortier boré MORTAR 075 de Lemer Pax se révèle supérieur au mortier boré standard comme matériau de protection contre les neutrons.
- La conception intégrant le MORTAR 075 (Lid-C) offre la meilleure efficacité de blindage neutronique. Cependant, son efficacité contre les photons est moindre en raison de l’absence de béton boré.
- Le mur en MORTAR 075 entourant le champ biologique joue un rôle crucial dans l’atténuation des radiations dans les zones cibles.
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a. Dept. Ingeniería Energética, Universidad Nacional de Educacion a Distancia (UNED), C/ Juan del Rosal 12, Madrid 28040, Spain
b. ITER Organization, Route de Vinon-sur-Verdon, CS 90 046, 13067 St. Paul Lez Durance Cedex, France
