CEA-N-1670 Note CEA-N-1670 Centre d'Etudes Ni :!éaires de Cadorache Département de Physique des Réacteurs et de Mathématiques Appliquées Service des Expériences Critiques et de Physique des Réacteurs METHODES DE DOSAGE DU BORE APPLIQUEES POUR L'EXPERIENCE FOEHN par Charles BACOU - Jacques CRAY - Philippe GENETAY - David MSIKA . JUIN 1974 • / Note CEA-N-1670 DESCRIPTION-MATIERE (mots clefs extraits du thesaurus SIÙON/INIS) en français en anglais [00] REACTEUR GRENOBLE [00] GRENOBLE REACTOR POISONS NUCLEAIRES NUCLEAR POISONS BORE 10 BORON 10 BORE BORON ANALYSE CHIMIQUE QUANTITATIVE QUANTITATIVE CHEMICAL ANALYSIS ETALONNAGE CALI1 RATION ERREURS ERRuRS PRECISION ACCURACY (01] ACIDE BORIQUE [01] BORIC ACID SOLUTIONS AQUEUSES AQUEOUS SOLUTIONS [02] CARBURES DE BORE [02] BORON CARBIDES ALUMINIUM ALUMINIUM / Centre d'Etudes Nucléaires de Cadarache Départemen' de Physique des Réacteurs et de Mathématiques Appliquées Service des Expériences Critiques et de Physique des Réacteurs METHODES DE DOSAGE HU BORE APPLIQUEES POUR L'EXPERIENCE FOEHN par Char'es BA:0U" • Jacques CRAY* - Philippe GENETAY* - David MSIKA** / CEA-N-1670 - BWOU Charlaa - OUT Jaaquaa - OBBBky Pnlllppa - PBDtA David PEIH0DE3 IE DOSAGE DO BORE APPLIQUEES POW L'EXnUENCE FOB» Sgaaalre. - Dana la cadra da l'expérimentation FOEHM pour la reacteur à haut flux Implante k Oranobla la Bora «at utilise an aolutlon homogène d'una part, k i état aollde "«111»" à l'aluminium d'autra part. En eolutK-> 11 paraat da aiauler d'laportantaa variations da reactlvlte duaa au burn up du eoabuatlbla. A l'écat solid», rur la reacteur k haut flux, la bora compensera una partla da la réaetlvlté potantlalla da 1'assemblage ooabuatlbU du eoaur (affata da bout). La méthode originale mise au point pour la dosage du bora n aolutlon, aprea una expérience quaal lnduatrlalla qui a permla d'an aontrar 1 aspect émlnamma*. prati que at fiable, ne nécessite ni une habileté exceptionnella de 1 expérimentateur ni une eonnalaaance minutieuse dea possibilités des appareils de «eaure. La precision dea «sures, pour une probabilité k 95 * a «te en doyenne de » 0.» * nais la aethoda automatisée doit peraettre de travailler avec une précision de l'ordre de + 0,2 %. Pour le doaaaa du Bore fixe la precision eat Inférieure k • 2*. pour une proba bilité k 68 %. 197* *5 p. Coaalaaarlat k l'Energie Atoalque - France f ŒA-N-1670 - «COU Charles - CRAY Jacques - OEHETAY Philippe - K3IKA David BORON DOSAGE PETHOD APPLIED TO FOEHN'3 EXPBtDEttT Summary. - In the fraae of the FOEHN experlaent (set up on the high flux reactor In Grenoble) Boron la used either aa homogeneous solution on as solid state si lled to aluminum. The solution allows to aock up greet reactivity variations due to the fuel burn-up. As solid state, the boron will balance a part of MM potential reactivity of the reactor core flux (tip affecta). The new method developped for the boron solution dosage doea not need neither particular/ cleaver experiments non precise knowledge of the poaalbllltlea of the apparatus. An almost Industrial experience has shown Its almpl» and fiable aspects. The measurements precision (at 95 % probability) haa an average of • 0,s % but the automatisation of the method should allow to go down to t 0,2 %'. For tii» fixed boron dosage the precision should be less than < S % (at 68 % proba bility). 197» * P- Commissariat k 1'Energie Atamlaue - Prance / S O M MA I RE P A G ES I. INTRODUCTION 0 71. PRESENTATION SOMMAIRE DE L'EXPERIENCE I III. PROCEDURE EXPERIMENTALE 3 II/. DOSAGE VU BORE EN SOLUTION 4 V. HOVE OPERATOIRE 10 VI. APPLICATIONS M Vil. COMPARAISON VIS ETALONS 22 VIII.CONCLUSION 25 • «•— •••.•» — / - 0. !• INTRODUCTION Dans le cadre de l'expérimentation FQEHN pour le réac teur à Haut Flux dé GRENOBLE, le bore est utilisé en solution homogène d'une part, à l'état solide, "allié" à l'aluminium d'autre part. En solution il permet de simuler les importantes variations de réactivlté dues à la disparition du combustible consommé au cours du cycle de fonctionnement du coeur. A l'état solide, sur le réacteur à Haut Flux, 11 permet de compenser une partie de la réactivlté potentielle de l'assemblage combustible du coeur (effet de bout). La maquette du coeur, réalisée à EOLE, est constituée de plaques d'un alliage uranium-aluminium, le combustible étant enrichi à 90% en isotope 235. Les plaques forment ' une zone mul- tiplicatrice annulaire j elles sont disposées suivant un cer tain rapport métal/ieau dans une boite étanche placée à l'inté rieur d'une cheminée extérieure à la cuve du Réacteur. Le coeur est alimenté par ses circuits propres en une solution d'anhydride borique danâ l'eau lourde. La cheminée est alimentée par ailleurs en eau lourde non empoisonnée par L'intermédiaire d'un circuit, indépendant. Le réflecteur latéral extérieur à la cheminée centrale est de son côté mis en eau lourde à partir des circuits classiques de la pilo. Le but de ce rapport est de faire connaître la méthode relativement originale qui a été retenue pour le dosage du bore en solution, d'en Justifier l'emploi et montrer sa validité du fait de l'expérience quasi Industrie ; le acquise. Nous donnons en annexe II la méthode utilisée pour le dosage du Bore contenu dans de l'aluminium bore. 11/ - m:SK>.YATION SO>MAI!£ D'J L'EXPKRIKXCE : Le coeur foruié de plaques assemblées dans une boîte annulaire ,a une capacité de 27 1. environ, compte ter.'i de la capacité des circuits de remplis sage et de vidange la quantité de solution mise en oeuvre ne dépasse pas 40 1. Un réservoir de 50 1. calibré, équipé d'un agitateur et installé dans la chambre située sous la cuve permet a la fois la préparation des solutions bo rées, leur homogénéisation, le remplissage du coeur par l'intermédiaire d'une ponpe doseusc et sa vidange par gravité. Il faut noter que la fp.ible quantité de solution mise en oeuvre r. grandement facilité le problème de l'homogénéisa tion des solutions qu'un mode opératoire très strict a permis d'assurer. La connaissance des réseaux permet de déterminer un ordre de grandeur de la concentx-ation en bore toutefois cette concentration devant être adaptée à chaque configuration et la conduite des expériences elles ciôVtcs obligeant sou vent à des variations do concentration, nous avons recherché une grande souplesse dans le modo opératoire. Pour cela toutts les solutions utilisées au cours de l'expérience ont été préparées à partir d'une ir/me solution mère très concentrée exactement connue, la loi des mélanges indiquait quelle quantité d'eau vierge et de solution nv^re j \ convenait demélanger pour obtenir la solution à la concentration désirée. Seule la solution initiale a été préparée en laboratoire et transvasée dans le réservoir. Les variations de concentration dans l'un ou l'autre sens étalont obtenues par l'apport de solution mère ou d'eau vierge.Toutefois, pour les dilutions importantes une partie de la solution devait être vidangée (le réservoir a une capacité limite) d'une quantité telle que la quantité do solution restante mélangée- avec l'eau viergo h introduire dans le réservoir donne le volume de so lution ot la concentration désirée. On pouvait connaître ainsi, a priori, avec une bonne approximation la concentration des solutions utilisées, le dosage précisant a posteriori cette concentration. - 2 - Pour éliminer un effet de concentration ou de dilution d'une solution nouvelle par la précédente, effet dû au roîurae de rétention du coeur, un rinçage de celui-ci, suivi d'une réhomogénisation précédait toujours le remplissage du coeur. La position du "piquage" de prélèvement des échantillons de solution pour leur dosage, son orientation ont été choisies de manière à réduire les volumes morts et rendre ainsi represenlativesles solutions contenues par le coeur, une purge précédant toujours le prélèvement. I / 3.- 111/ - FiiOC-IDUPJî EffrairSffTALE. Les solutions utilisées avaient des concentrations en B do 10 à 500 mg /l'Ses concentrationsrelativement importantes, la faible quantité de soluJJioA nécessaire, lo souci de ne pas dû grader le titre isotopique de l'eau lourde ont fait que le bore a été utilisé sous forrao d'anhydride borique vitreux ne contenant que 0,6P cf* d'eau et enrichi a 90,1 fi en iî. Nous avons vu qu'il était possible de connaître à chaque instant les concentrations en bore des solutions pourvu que l'on connaisse les volu mes manipulés nais aussi les caractéristiques précises de la solution mère.. De plus pour répondre avec plu3 do rigueur à la demande de physiciens (par commodité aussi) les quantités de solution mère à injecter sont déterminées par pesées; outre la teneur en bore,la masse volumiquc de la solution doit être connue. Cela conduit à connaître avec exactitude le produit sous la forme duquel le bore est utilisé; d'où les travaux préliminaires suivants : - Analyse isotopiquo - Dosage des impuretéas - Teneur en eau du lot do produit nui sera effectivement utilisé, plusieurs échantillons du lot étant prélevés de façon à s'assurer de l'homo généité pour établir lo rapport anhydride borique °a Nous Indiquons en Annexe I le principe de la préparation des solutions ainsi que les méthodes de calcul pour la détermination du titre et de la concentration de ces solutions. I.e calcul d'erreur effectué permet de connaître les erreurs commises sur ces paramètre*. I / _ 4 IV/ - DOSAGE DU DORE KS SOLUTION. IV/l. Position du problème. Dans co qui suit, l'expression "bore en solution" désigne l'acide borique ou le borate alcalin en solution aqueuse. Les expériences poursuivies dans la pile Soie nécessitent la connaissance aussi exacte que possible de la concentration du bore en solution. Ceci implique la raiso en oeuvre do méthodes de dosago précises, exactes et dont l'exploitation peut Ôtre confiée a un personnel non spécialisé en analyse chimique. Aux teneurs comprises entre 1 et 50 ou 100 milliéquivalents par litre, (B de 10 mg«^ à 1 g. 1 ), on pratique le titrage acidimetrique qui s'appuie sur le schéma de réaction : 1B0 + Na OH — j. Na B0 +1^0 (l) 2 2 En pratique, l'acidité étant très faible, on la renforce par formation de complexes à l'aide do subsiences polyhydroxylées (L) tellc3 que los polyalcools (glycerol mannitol), les Hexosos ou sucre3 cnC, (glucose-lévulose) los polyplicnola o (pyrocatéchol, pyrogallol). Les pK des acides ILL BO obtenus varient de 4 a 6,5. La réaction (1) devient i WJi0 + Ka OH •—& Na L B0., + H 0. (2) 2 ? Suivant le degré d'élaboration de la technique do dosage, la précision peut aller depuis f à 2 $ jusqu'à 0,3 c/°. Pour atteindro cotte dernière limite, il est nécessaire de mettre au point un t,.odo opératoire extrêmement sophistiqué. C'est lo cas, par oxi-mple, pour la méthoâo dite de trois courbes (2) dans laquelle la solution échantillon est "encadrée" par deux solutions étalons de titres connus «t voisin l'un do 1'autre