Etude de systèmes et scénarios électronucléaires double strate de transmutation des actinides mineurs en ADS

par Jean-Baptiste Clavel

Thèse de doctorat en Constituants élémentaires et physique théorique

Sous la direction de Philippe Eudes.

Soutenue le 30-11-2012

à Nantes, Ecole des Mines , dans le cadre de Matière, molécules, matériaux en Pays de la Loire , en partenariat avec Laboratoire SUBATECH Nantes / SUBATECH (laboratoire) .

Le président du jury était Bernd Grambow.

Le jury était composé de Sylvain David, Nicolas Thiollière, Arnaud Guertin.

Les rapporteurs étaient Gilles Ban, Annick Billebaud.


  • Résumé

    La loi française du 28 juin 2006, sur la gestion des déchets radioactifs, demande une évaluation pour définir la future stratégie industrielle. L’étude présentée ici, concerne plus spécifiquement l’axe de recherche sur la transmutation des actinides mineurs. Dans ce but, un concept d’ADS (Accelerator DrivenSystem) de haute puissance a été développé à SUBATECH. Dans ce réacteur sous-critique, un faisceau de protons de 1 GeV alimente trois cibles de spallation de plomb-bismuth. L’ADS MUST (MUltipleSpallation Target) peut ainsi atteindre une puissance thermique de plus de 1 GW avec une densité de puissance élevée. Une méthode de dimensionnement de ces réacteurs a été développée et appliquée pour différents scénarios double strate. Dans ces scénarios, des réacteurs électrogènes de type SFR (Sodium Fast Reactors) ou REP (Réacteurs à Eau Pressurisée) produisent des actinides mineurs destinés à être transmutés en ADS. Dans chaque cœur, un multi-recyclage du plutonium est réalisé et dans les réacteurs sous-critiques les éléments à transmuter le sont également. Pour limiter la réactivité du cœur et améliorer la conductivité thermique, le combustible contenant les actinides mineurs est mélangé à une matrice inerte de MgO. Des filières, avec des ADS à caloporteurs plomb et sodium, ont été étudiées pour différentes durées d’irradiation, et deux stratégies de transmutation : soit l’ensemble des actinides mineurs, soit seulement l’américium est incinéré. Le dimensionnement des ADS MUST de chaque filière et de leur combustible à l’équilibre est présenté dans cette thèse. Puis l’évolution du combustible et du coefficient de multiplication, sur un cycle, est réalisée et analysée. La radiotoxicité et la puissance thermique des déchets produits sont ensuite comparées. Enfin, l’étude de scénarios double strate est effectué afin d’analyser les inventaires d’actinides mineurs et de plutonium en cycle, ainsi que les déchets produits en fonction de la stratégie de transmutation adoptées et de l’évolution de la première strate.

  • Titre traduit

    Study of nuclear energy systems and double strata scenarios for minor actinides transmutation in ADS


  • Résumé

    The French law of 28th June 2006 regarding advanced nuclear waste management requires a scientific assessment to define future industrial strategies. The present PhD thesis was carried in this framework and concerns specifically the research axis of minoractinides transmutation. A high power Accelerator Driven System (ADS) concept is developed at SUBATECH for this purpose. A 1 GeV proton beam feeds three liquid lead-bismuth spallation targets. The MUltiple Spallation Target (MUST) ADS reaches the thermal powers up to 1 GW with a high specific power. A nuclear reactor dimensioning method has been developed and applied to different double strata scenarios. In these scenarios, SFR (Sodium FastReactors) or PWR (Pressurized Water Reactors) power reactors produce minor actinides that will be transmuted into ADS. In each core (SFR and ADS), the plutonium multi-reprocessing strategy is performed while ADS subcritical core also multi-reprocesses minor actinides. To limit the core reactivity and improve the fuel thermal conductivity, the minor actinides fuel is mixed with MgO inert matrix. Nuclear branches with lead and sodium coolants for the ADS, have been studied for different irradiation times and two transmutation strategies have been assessed : whether whole minor actinides, whether americium only is tranmuted. The thesis presents precisely the MUST ADS design methodology and the calculations to get a fuel composition at equilibrium. Then a one cycle evolution is performed and analysed for the fuel and the multiplication factor. Radiotoxicity and thermal power of the waste produced are then compared. Finally, the study of double strata scenarios is performed to analyse the plutonium and minor actinides inventories in cycle and also the waste produced according to the transmutation strategies applied and the first stratum evolution.


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