Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur 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 Futur A.Billebaud Scénarios et Physique des Réacteurs pour le Nucléaire du Futur A.Billebaud, LPSC Grenoble à partir d’un travail réalisé avec S.David, D.Ridikas, et J.C.Steckmeyer ?

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 Futur A.Billebaud 1. Les déchets

+ + + Bilan du fonctionnement d’un REP de 1 GWe pendant un an: 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 Futur A.Billebaud Bilan du fonctionnement d’un REP de 1 GWe pendant un an: 27 t Uranium enrichi 3,5% U: 26 t + PF: 946 kg Combustible UOX + 200 t Minerai U Pu: 266 kg + AM: 20 kg Production du parc REP français: Plutonium : 12 t/an Actinides Mineurs: 840 kg/an (Np, Am, Cm)

Pu Am Cm Radiotoxicité des déchets Produits de fission 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 Futur A.Billebaud Radiotoxicité des déchets Produits de fission Radiotoxicité Sv/TWhe Pu Am Cm

Cas particulier du Plutonium 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 Futur A.Billebaud Cas particulier du Plutonium Déchet ou combustible ? Déchet ultime Combustible potentiel d’un cycle régénérateur U/Pu (fertile/fissile) Stockage problématique (prolifération) Stockage jusqu’au démarrage d’un nouveau réacteur (génération IV) Solution: Incinération ?

2. Les études systèmes, scénarios… 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 Futur A.Billebaud 2. Les études systèmes, scénarios… Consistent à: 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 … et la physique des réacteurs Valider certains concepts, grandeurs, et méthodes expérimentalement (neutronique) Fournir des méthodes et techniques pour des démonstrateurs

Réduire la quantité de déchets ainsi que leur radiotoxicité 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 Futur A.Billebaud Objectifs: Réduire la quantité de déchets ainsi que leur radiotoxicité Optimiser les cycles des combustibles pour le futur Etudes systèmes et scénarios (Simulations) Besoins de validation Données et concepts validés Physique des réacteurs (Expériences)

3. Les scénarios retenus pour ces études 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 Futur A.Billebaud 3. Les scénarios retenus pour ces études

+ - Scénario actuel: Séparation REP UOX U: 26 t Pu: 266 kg 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 Futur A.Billebaud - Scénario actuel: Séparation REP UOX U: 26 t Pu: 266 kg + Retraitement PF: 946 kg AM: 20 kg U: 26 kg Pu: 0,26 kg REP MOX verres MOX usé stockage en piscine

- Scénario « séparation/transmutation » (2020): 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 Futur A.Billebaud - Scénario « séparation/transmutation » (2020): ADSR séparation poussée AM PF AM U Pu Restes verres allégés MOX usé stockage en piscine Pu + AM stockés Combustible de futurs RNR ? - Poursuite du nucléaire - Traitement des déchets « actuels » - Possibilités pour le futur

- Scénario « nucléaire du futur » (2050): 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 Futur A.Billebaud - Scénario « nucléaire du futur » (2050): ADSR AM PF AM U Pu séparation poussée verres allégés Restes MOX usé stockage en piscine Combustible pour transition vers nouvelle filière fertile/fissile Pu Traitement des déchets Poursuite du nucléaire par une nouvelle filière régénératrice, U/Pu ou Th/U3 Transition à gérer

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 Futur A.Billebaud 4. Les systèmes étudiés

- Les ADSR (Accelerator Driven Subcritical Reactor) 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 Futur A.Billebaud - Les ADSR (Accelerator Driven Subcritical Reactor) LINAC Source RFQ Injecteur Cavités Supra Conductrices Cavités elliptiques Rôle : - Incinération des AM Etudes à conduire: - 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

Expérimentalement les ADSR comptent déjà de nombreux acquis, 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 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 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)

Na Pb He - Les RNR (Réacteurs à Neutrons Rapides) Rôle : 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 Futur A.Billebaud - Les RNR (Réacteurs à Neutrons Rapides) Rôle : Production d’énergie durable par régénération en cycle fertile/fissile (génération IV): possibilité de déploiement important Na Technologie disponible mais reste complexe Pb Besoins en R&D : Corrosion des matériaux structures He Besoins en R&D : Combustibles innovants

Comparaison des différents caloporteurs (cycles U/Pu): 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 Futur A.Billebaud Etudes à conduire: 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 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 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 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 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

compétitif pour la génération IV de réacteurs 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 Futur A.Billebaud Etudes à conduire: 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 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

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 Futur A.Billebaud 5. Les outils

- Les outils des simulations: 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 Futur A.Billebaud - 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 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 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 Calculs de sensibilité étude de la sensibilité des simulations (barres d’erreurs des paramètres calculés) aux données nucléaires orientation des mesures de données nucléaires 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, adaptation aux codes stochastiques ?) 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: 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 Futur A.Billebaud - Les outils expérimentaux: Les réacteurs de recherche ! Et les projets… Programme TRADE, ADSR Réacteur MASURCA CEA/DEN, Cadarache réacteur rapide, faible puissance, modulaire 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 d’ADSR Réacteur MYRRHA SCK-CEN + IBA, Mol, Belgique réacteur rapide Pb-Bi, 80 MW (2012)

Les autres installations dédiées Neutronique des milieux diffuseurs 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 Futur A.Billebaud 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’Energie Nucléaire), 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 ?

6. Conclusions Couplage étroit simu/exp inscrit ce thème de recherche 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 Futur A.Billebaud 6. Conclusions Couplage étroit simu/exp inscrit ce thème de recherche dans la lignée de la physique nucléaire IN2P3-DAPNIA Des données nucléaires… aux réacteurs: acquisition d’une expertise dans un domaine nouveau Approche originale par la recherche académique Contexte de recherche international Pérennité dans l’enseignement de la discipline 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 Délais des expériences en réacteur importants (> 2008) Conserver collaboration étroite avec la DEN du CEA Soutenir et participer au projet de démonstateur européen d’ADSR

Merci ! Effectifs actuels: (5 labos) 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 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 !