Energie Nucléaire pour le Futur – Physique et Chimie Frédérico Garrido & Co. Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse CNRS-IN2P3 & Université Paris-Sud, Orsay Campus, France Colloque d’inauguration LabEx P2IO 11 janvier 2012

Forces en présence – Revue d’effectifs Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse (CNRS-IN2P3-Université Paris-Sud) – 7 personnes Groupes PCI (Physico-Chimie de l’Irradiation) et PS (Physique des Solides) Institut de Physique Nucléaire (CNRS-IN2P3-Université Paris-Sud) – 21 personnes Groupes PACS (Physique de l’Aval du Cycle et de la Spallation) et Radiochimie IRFU (CEA/DSM) – 4 personnes SERMA (CEA/DEN) - 5 personnes

Contexte Accroissement de la demande en énergie – étude scénarios possibles Nouvelles filières nucléaires: Forum Génération IV Réacteurs de sûreté accrue Minimisation des déchets Optimisation des ressources en matière fissile Non prolifération Définition et évaluation des nouveaux concepts de réacteurs Données expérimentales Outils de simulation

Contexte Apport de la communauté Physiciens et Chimistes de P2IO Etude de systèmes et de scénarios (physique des réacteurs) Physique pour la neutronique et les données nucléaires Conception de nouveaux matériaux, propriétés physico-chimiques & Radiochimie

Simulation de réacteurs et scénarios associés Développement de nouveaux outils de simulation des réacteurs nucléaires Etudes précises de systèmes innovants : neutronique, évolution combustibles, sûreté, production de déchets, flux de matière, aspects techniques et économiques Prospective énergétique : place du nucléaire, monde énergétique en 2050 Enjeu majeur: développement d’un code de simulation de scénarios détaillés Développement axé sur le code Monte Carlo MURE Codes industriels peu adaptés pour l’exploration voies innovantes IPNO – Groupe PACS

Simulation de réacteurs et scénarios associés Développement de nouveaux outils de simulation des réacteurs nucléaires Scénarios étudiés Réacteurs critiques à combustibles solides (cycles uranium et thorium) Extensions : ADS, réacteurs à sels fondus, réacteurs génération IV (à haute température refroidis à gaz) Couplage avec les données nucléaires IPNO – Groupe PACS

Données nucléaires Connaissance des sections efficaces des actinides à incinérer & isotopes majeurs des combustibles Sections efficaces de fission et distributions angulaires à n-TOF Mesurés: natPb, 209Bi, 232Th, 233,235,238U, 237Np, … de 0.7 eV à 1 GeV Etude de la fission de 236U (231Pa à terme) Sections efficaces de capture 233,234,235,238U, 237Np, 240Pu, 241,243Am IPNO – Groupe PACS ; IRFU - SPhN

Données nucléaires Connaissance des sections efficaces des actinides à incinérer & isotopes majeurs des combustibles Etude du processus de fission (SOFIA puis FELISE; NFS) Mesure distribution en charge et masse des fragments de fission SOFIA: mesure des distributions pour différents An (fragmentation faisceau 238U dans cible de Pb) Horizon plus lointain FELISE: mesure de l’énergie d’excitation dans le noyau fissionnant – fission provoquée avec un faisceau d’électrons (mesure de son énergie résiduelle) Mesures sections efficaces (n,g) et densité de niveaux Nécessité pour les calculs de section efficace (s’appuient sur les modèles de densité de niveaux) Utilisation méthode de substitution: 232Th (3He,p)234Pa  233Pa(n,) Mesures réalisées: 232Th, 230Th, 231Pa Mesures prévues avec des cibles de 233U, 235U, et 231Pa IPNO – Groupe PACS ; IRFU - SPhN

Synthèse de couches minces radioactives Laboratoire de synthèse et de caractérisation de couches minces radioactives Chimie des Actinides et Cibles Radioactives à Orsay (CACAO) Besoins pour étude des cycles 238U-239Pu et 232Th-233U Production et étude des super-lourds Demandes 230,232Th, 231, 233Pa, 233,234,235,236,238U, 236,237Np, 239,240,241,242,244Pu, 243Am, 242,243,245,246,247,248Cm et 249,252Cf Voies de synthèse Couches minces sur substrat Evaporation sous vide (évaporateur décontaminable) Électrodéposition Caractérisations (spectrométries a et g, techniques IBA) IPNO – Groupe PACS

Simulation expérimentale des effets de l’irradiation – L’outil faisceaux d’ions MATERIAU NUCLEAIRE IRRADIATION IONIQUE Basse énergie (100 KeV) Grande énergie (100 MeV) DOPAGE Eléments stables Eléments radioactifs Effets d’irradiation Fragments de fission Particules a Noyaux de recul Radiolyse Rétention des radionucléides Actinides Produits de fission & He SYNTHESE voie chimique & CARACTERISATION RBS, canalisation, NRA, XRD, TEM Endommagement, diffusion atomique, propriétés physiques et chimiques Réseau national d’accélérateurs pour les Etudes des Matériaux sous IRradiation

Matériaux nucléaires Combustibles Matrices de transmutation Matériaux de structure Matrices spécifiques pour l’entreposage et le stockage

Synthèse de nouveaux combustibles Combustibles pour la génération IV Cibles pour la production de faisceaux radioactifs Oxydes et carbures d’uranium et de thorium Conditions de synthèse (masse volumique, taille des grains, pores) Mécanismes de frittage Mécanismes aux interfaces: dissolution des matériaux dopés avec des produits de fission ou actinides; mécanismes réactionnels Comportement sous irradiation Combustible Th0.75U0.25O2 dans HNO3 10-3 mol L-1; T = 90°C; 14 jours IPNO – Groupe Radiochimie

Combustible et matrice de transmutation An – Effets de Sn Evolution sous irradiation (combustible et matrice inerte) Contribution balistique: défauts d’irradiation, évolution des défauts Contribution chimique: comportement des produits fission et He CSNSM – Groupe PCI

Nouveaux combustibles Combustibles liquides Combustible: sels fondus LiF-ThF4 – fonctions combustible et caloporteur Chimie à base de Th et de U et traitement pyrochimique du combustible usé Retraitement en ligne: procédé d’extraction réductrice pour extraire sélectivement les lanthanides Phases : métal liquide (Bi-Th) et sel fondu IPNO – Groupe Radiochimie

Matériaux de structure Comportement des aciers austénitiques composants des internes de cuve de REP Effets de l’irradiation et présence d’impuretés He – co-irradiation sur JANNuS – Etude du gonflement (58Ni(n,g)59Ni(n,a)56Fe) Etude des mécanismes de nucléation-croissance de bulles/cavités et formation de dislocations Paramètres [He]/dpa ; T ; flux Acier 316L 450°C 64 dpa et 7100 appm He CSNSM – Groupe PS (ANR CoIrrHeSim)

Actions d’Enseignement et Formation Master international Nuclear Energy Commun Université Paris-Sud, INSTN, ParisTech, Supelec, Centrale Paris M1 et 5 M2 – 100 étudiants Decommissioning and Waste Management Fuel Cycle Nuclear Reactor Physics and Engineering Nuclear Plant Design Operations