Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique

Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et l’Environnement »Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du FuturA.Billebaud

Scénarios et Physique des Réacteurs

pour le Nucléaire du Futur

?

A.Billebaud, LPSC Grenobleà partir d’un travail réalisé avec S.David, D.Ridikas, et J.C.Steckmeyer


1. Les déchets


Bilan du fonctionnement d’un REP de 1 GWe pendant un an:

27 t Uranium enrichi 3,5%

200 tMinerai U

U: 26 t

AM: 20 kg

+

Plutonium : 12 t/an

Production du parc REP français:

Combustible UOX

Pu: 266 kg

PF: 946 kg

Actinides Mineurs: 840 kg/an(Np, Am, Cm)

+

+


Radiotoxicité des déchets

Produitsde fission

Rad

ioto

xici

té S

v/T

Whe

Pu

Am

Cm


Cas particulier du Plutonium

Déchet ou combustible ?

Stockage problématique(prolifération)

Solution:Incinération ?

Combustible potentield’un cycle régénérateur

U/Pu (fertile/fissile)

Stockage jusqu’audémarrage d’un

nouveau réacteur(génération IV)

Déchet ultime


2. Les études systèmes, scénarios…

- Simuler des systèmes de réacteur (filières) tout en les optimisant

(géométrie, composition, performances…)

- Simuler l’évolution à long terme des combustibles (inventaires, déchets)

et l’imbrication possible des différents systèmes

Consistent à:

- Valider certains concepts, grandeurs, et méthodes expérimentalement

(neutronique)

- Fournir des méthodes et techniques pour des démonstrateurs

… et la physique des réacteurs


- Réduire la quantité de déchets ainsi que leur radiotoxicité

- Optimiser les cycles des combustibles pour le futur

Objectifs:

Etudes systèmes et scénarios(Simulations)

Physique des réacteurs(Expériences)

Besoins de validation

Données et conceptsvalidés


3. Les scénarios retenus pour ces études


PF: 946 kgAM: 20 kgU: 26 kgPu: 0,26 kg

+

- Scénario actuel:

REP

Séparation

UOX

MOX

Retraitement

REP

U: 26 tPu: 266 kg

MOXusé

verresstockage en piscine


PFAMUPu

- Scénario « séparation/transmutation » (2020):ADSR

séparationpoussée

verres allégés

MOXusé

stockage en piscine

AM

Restes

Pu + AM stockésCombustible de futurs RNR ?

- Poursuite du nucléaire- Traitement des déchets « actuels »- Possibilités pour le futur


PFAMUPu

- Scénario « nucléaire du futur » (2050):ADSR

séparationpoussée

verres allégés

MOXusé

stockage en piscine

AM

Restes

- Traitement des déchets- Poursuite du nucléaire par une nouvelle filière régénératrice, U/Pu ou Th/U3

Pu

Combustible pourtransition vers nouvelle filièrefertile/fissile

Transitionà gérer


4. Les systèmes étudiés


- Les ADSR (Accelerator Driven Subcritical Reactor)

Sourc

e

RFQ

Injecteur CavitésSupra Conductrices

Cavités elliptiquesSupra Conductrices

- Etude de l’incinération de l’Am seul, en particulier à partir des projets de

systèmes (Eurotrans) à caloporteur et cible de Pb-Bi

- Etudes sûreté: comportement spécifique en situation accidentelle des ADS

selon le mode de pilotage

Rôle :

- Incinération des AM

Etudes à conduire:

LINAC


Expérimentalement les ADSR comptent déjà de nombreux acquis,

entre autres grâce au récent programme MUSE (MASURCA)

- Validation exp des techniques de contrôle de réactivité pour un ADSR de

puissance

- Mesure de coefficients de température

- Etude des procédures d’arrêt et de démarrage des ADSR

- Etude de l’impact des interruptions de faisceau sur le fonctionnement

- Caractérisation des réflecteurs et de la composition des combustibles

par l’utilisation d’une source externe en configuration sous-critique

Programme TRADE (TRIGA Accelerator Driven

Experiment)

(2005-2006 puis couplage au cyclo. 2008-2009)


- Les RNR (Réacteurs à Neutrons Rapides)

Na

Technologie disponiblemais reste complexe

Pb

Besoins en R&D :Corrosion des matériaux structures

He

Besoins en R&D :Combustibles innovants

Rôle :

- Production d’énergie durable par régénération en cycle fertile/fissile (génération IV): possibilité de déploiement important


- Comparaison des différents caloporteurs (cycles U/Pu):

- coefficients de sûreté

- inventaires des matières fissiles

- quantités de déchets produits

- Evaluation de nouveaux caloporteurs (sels fondus)

- Etude détaillée de RNR U/Pu à couverture thorium pour la production d’U233

pour démarrage cycle Th/U d’autres réacteurs

Etudes à conduire:

- Programme expérimental RNR gaz au CEA/DEN (Cadarache)

- qualification d’outils de simulation

- étude des fuites de neutrons par canaux gaz (effets de streaming)

- étude de nouveaux matériaux pour le combustible (réfractaires),

les structures et le réflecteur

Programme ENIGMA: 2006 puis 2008-2009


- Les RSF (Réacteurs à Sels Fondus) et la filière thorium

Rôle :

- idem RNR mais régénération Th/U en spectre thermique donc production moindre d’AM et inventaire fissile minimisé

- Sels fluorures- Combustible =Caloporteur- Retraitement en ligne- Pas de risque de fonte du coeur

Besoins en R&D: - Corrosion - Procédés chimiques

Production amont d’U233

nécessaire


- Simplification du retraitement en ligne du RSF afin d’en faire un candidat

compétitif pour la génération IV de réacteurs

- Etudes de sûreté : couplage de la neutronique, de la chimie et de la

thermohydraulique (pilotage, sûreté)

- Etude de la production de l’U233 initial dans des REP à combustible MOx

thorié

Etudes à conduire:

- Etude et quantification des procédés pyrochimiques d’extraction des PF

- Etudes des propriétés de diffusion neutronique des sels

Depuis 2004: PEREN (neutronique)A partir 2005: PEREN pyrochimie

- Etude d’une boucle de sels fondus à échelle réduite (données thermohydrau.)

- Etude des propriétés neutroniques des combustibles thoriés


5. Les outils


- Les outils des simulations:

-Traiter l’évolution des combustibles

- code MCNP (LANL) pour les paramètres statiques couplé à un code

d’évolution

- besoin de développement de bases de données spécifiques afin de

pouvoir prendre en compte les effets de température et calculer les

coefficients de sûreté

Développement en cours de l’outil global MURE(MCNP Utility for Reactor Evolution)

Validation du code pour diffusion en milieu industriel

- Mener les études de sûreté

- calcul des coefficients de vide et de température à tout instant

Mise au point de méthodes déterministes


- études de sûreté prenant en compte la thermohydraulique et les contre-réactions du cœur

Modèle simplifié pour étude quantitative de la sûreté de tous types de réacteurs

Développement de plusieurs outils pour l’analyse de sensibilité de la criticité et des paramètres intégraux aux données(théorie des perturbations dans équations de transport, adaptationaux codes stochastiques ?)

- Calculs de sensibilité

- étude de la sensibilité des simulations (barres d’erreurs des paramètres

calculés) aux données nucléaires

- orientation des mesures de données nucléaires

- Activation des structures des réacteurs

- évaluation de l’activation de l’environnement du réacteur au cours de sa vie

(gestion des matières irradiées lors des démantèlements, appli. aux design)

Méthodes basées sur MCNP


- Les outils expérimentaux:

- Les réacteurs de recherche ! Et les projets…

- Programme TRADE, ADSR

Réacteur TRIGA, ENEA, Casaccia, Italieréacteur thermique, combustible UZrH, puissance ~ 200kW

- Programme RNR gaz, étude couverture thorium, caractérisations dynamiques en mode sous-critique + source externe

Réacteur MASURCA, CEA/DEN, Cadaracheréacteur rapide, faible puissance, modulaire

- Projet d’ADSR

Réacteur MYRRHASCK-CEN + IBA, Mol, Belgiqueréacteur rapide Pb-Bi, 80 MW (2012)

Réacteur MASURCACEA/DEN, Cadaracheréacteur rapide, faible puissance, modulaire


- Les autres installations dédiées

- Neutronique des milieux diffuseurs

- Procédés chimiques d’extraction de certains produits de fissions

PEREN (Plateforme d’Etudes et de Recherche sur l’EnergieNucléaire), LPSC Grenoble

- Chimie sur des matériaux thoriés

IPNO (rénovation d’un labo pour chimie chaude)

- Etude d’une boucle à sels fondus…

LPSC, IPNO, autre ?


Délais des expériences en réacteur importants (> 2008)

Travail important de simulation à réaliser dans les années à venirafin de sélectionner les voies prometteuses……pour lesquelles la physique des réacteurs expérimentale devra apporter des validations

Couplage étroit simu/exp inscrit ce thème de recherche dans la lignée de la physique nucléaire IN2P3-DAPNIA

Conserver collaboration étroite avec la DEN du CEA

Soutenir et participer au projet de démonstateur européen d’ADSR

Contexte de recherche international

Approche originale par la recherche académique

Pérennité dans l’enseignement de la discipline

Des données nucléaires… aux réacteurs: acquisition d’une expertise dans un domaine nouveau

6. Conclusions


Effectifs actuels: (5 labos)

Etudes scénarios et systèmes: 9,5 Permanents/ 7 Non Permanents

Physique des réacteurs: 5,5 P / 1 NP

Total: 15 P + 8 NP

Effectifs souhaités: (7 labos)

Etudes scénarios et systèmes: 12,5 P / 11 NP

Physique des réacteurs: 13,5 P / 5 NP / 1 IT

Total: 26 P + 16 NP + 1 IT

Merci !

Documents

Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique