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

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1 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur ? A.Billebaud, LPSC Grenoble à partir dun travail réalisé avec S.David, D.Ridikas, et J.C.Steckmeyer

2 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud 1. Les déchets

3 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud Bilan du fonctionnement dun REP de 1 GWe pendant un an: 27 t Uranium enrichi 3,5% 200 t Minerai 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) + +

4 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud Radiotoxicité des déchets Produits de fission Radiotoxicité Sv/TWhe Pu Am Cm

5 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud Cas particulier du Plutonium Déchet ou combustible ? Stockage problématique (prolifération) Solution: Incinération ? Combustible potentiel dun cycle régénérateur U/Pu (fertile/fissile) Stockage jusquau démarrage dun nouveau réacteur (génération IV) Déchet ultime

6 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud 2. Les études systèmes, scénarios… - Simuler des systèmes de réacteur (filières) tout en les optimisant (géométrie, composition, performances…) - Simuler lévolution à long terme des combustibles (inventaires, déchets) et limbrication 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

7 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud - 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 concepts validés

8 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud 3. Les scénarios retenus pour ces études

9 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud PF: 946 kg AM: 20 kg U: 26 kg Pu: 0,26 kg + - Scénario actuel: REP Séparation UOX MOX Retraitement REP U: 26 t Pu: 266 kg MOX usé verres stockage en piscine

10 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud PF AM U Pu - Scénario « séparation/transmutation » (2020): ADSR séparation poussée verres allégés MOX usé stockage en piscine AM Restes Pu + AM stockés Combustible de futurs RNR ? - Poursuite du nucléaire - Traitement des déchets « actuels » - Possibilités pour le futur

11 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud PF AM U Pu - Scénario « nucléaire du futur » (2050): ADSR séparation poussée verres allégés MOX usé stockage en piscine AM Restes - Traitement des déchets - Poursuite du nucléaire par une nouvelle filière régénératrice, U/Pu ou Th/U3 Pu Combustible pour transition vers nouvelle filière fertile/fissile Transition à gérer

12 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud 4. Les systèmes étudiés

13 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud - Les ADSR (Accelerator Driven Subcritical Reactor) Source RFQ Injecteur Cavités Supra Conductrices Cavités elliptiques Supra Conductrices - Etude de lincinération de lAm 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

14 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud 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 darrêt et de démarrage des ADSR - Etude de limpact des interruptions de faisceau sur le fonctionnement - Caractérisation des réflecteurs et de la composition des combustibles par lutilisation dune source externe en configuration sous-critique Programme TRADE (TRIGA Accelerator Driven Experiment) ( puis couplage au cyclo )

15 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud - Les RNR (Réacteurs à Neutrons Rapides) Na Technologie disponible mais reste complexe Pb Besoins en R&D : Corrosion des matériaux structures He Besoins en R&D : Combustibles innovants Rôle : - Production dénergie durable par régénération en cycle fertile/fissile (génération IV): possibilité de déploiement important

16 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud - 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 dU233 pour démarrage cycle Th/U dautres réacteurs Etudes à conduire: - Programme expérimental RNR gaz au CEA/DEN (Cadarache) - qualification doutils 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

17 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud - Les RSF (Réacteurs à Sels Fondus) et la filière thorium Rôle : - idem RNR mais régénération Th/U en spectre thermique donc production moindre dAM 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 dU233 nécessaire

18 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud - Simplification du retraitement en ligne du RSF afin den 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 lU233 initial dans des REP à combustible MOx thorié Etudes à conduire: - Etude et quantification des procédés pyrochimiques dextraction des PF - Etudes des propriétés de diffusion neutronique des sels Depuis 2004: PEREN (neutronique) A partir 2005: PEREN pyrochimie - Etude dune boucle de sels fondus à échelle réduite (données thermohydrau.) - Etude des propriétés neutroniques des combustibles thoriés

19 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud 5. Les outils

20 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud - Les outils des simulations: -Traiter lévolution des combustibles - code MCNP (LANL) pour les paramètres statiques couplé à un code dévolution - 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 loutil 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

21 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud - 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 lanalyse de sensibilité de la criticité et des paramètres intégraux aux données (théorie des perturbations dans équations de transport, adaptation aux codes stochastiques ?) - Calculs de sensibilité - étude de la sensibilité des simulations (barres derreurs des paramètres calculés) aux données nucléaires - orientation des mesures de données nucléaires - Activation des structures des réacteurs - évaluation de lactivation de lenvironnement du réacteur au cours de sa vie (gestion des matières irradiées lors des démantèlements, appli. aux design) Méthodes basées sur MCNP

22 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud - Les outils expérimentaux: - Les réacteurs de recherche ! Et les projets… - Programme TRADE, ADSR Réacteur TRIGA, ENEA, Casaccia, Italie réacteur thermique, combustible UZrH, puissance ~ 200kW - Programme RNR gaz, étude couverture thorium, caractérisations dynamiques en mode sous-critique + source externe Réacteur MASURCA, CEA/DEN, Cadarache réacteur rapide, faible puissance, modulaire - Projet dADSR Réacteur MYRRHA SCK-CEN + IBA, Mol, Belgique réacteur rapide Pb-Bi, 80 MW (2012) Réacteur MASURCA CEA/DEN, Cadarache réacteur rapide, faible puissance, modulaire

23 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud - Les autres installations dédiées - Neutronique des milieux diffuseurs - Procédés chimiques dextraction de certains produits de fissions PEREN (Plateforme dEtudes et de Recherche sur lEnergie Nucléaire), LPSC Grenoble - Chimie sur des matériaux thoriés IPNO (rénovation dun labo pour chimie chaude) - Etude dune boucle à sels fondus… LPSC, IPNO, autre ?

24 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud Délais des expériences en réacteur importants (> 2008) Travail important de simulation à réaliser dans les années à venir afin 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 dADSR Contexte de recherche international Approche originale par la recherche académique Pérennité dans lenseignement de la discipline Des données nucléaires… aux réacteurs: acquisition dune expertise dans un domaine nouveau 6. Conclusions

25 Journées de Prospectives DSM/DAPNIA – IN2P3, La Colle sur Loup, 15/10/04 « Physique et Chimie pour le Nucléaire et lEnvironnement » Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud 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 !


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