Conception de systèmes innovants pour le contrôle optimal de la réactivité des réacteurs à neutrons rapides de 4ème génération

Design of innovative systems for the optimized control of reactivity in Gen-IV fast neutron reactors

• Auteur / Autrice : Hui Guo
• Direction : Laurent Buiron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energie, Rayonnement, Plasma
• Date : Soutenance le 19/09/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etudes de PHysique (CEA Cadarache)
• Jury : Président / Présidente : Cheikh M'Backé Diop
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Fontaine, Denis Verrier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Robert Stieglitz, Elsa Merle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Uranium (combustible)

Neutrons rapides

Réacteurs à neutrons rapides

Phénix (réacteur nucléaire)

Mots clés libres

Réacteurs rapides refroidi au sodium

Contrôle de la réactivité

Barres de commande

Poisons consommables

Absorbants

Modérateurs

Sodium fast reactor

Reactivity control

Control rods

Burnable poisons

Absorbers

Moderators

Résumé

Les réacteurs de quatrième génération pourraient tirer parti du spectre des neutrons rapides pour optimiser l'utilisation des ressources en uranium, faciliter la gestion des matières fissiles et améliorer la transmutation des déchets nucléaires. La barre de commande est habituellement combinée un réseau des aguilles non étanchées en carbure de bore (B4C) comme élément absorbant. Différents critères technologiques limitent la durée d’utilisation du B4C en irradiation. Par conséquent, des éléments absorbants alternatifs tels que l'oxyde de gadolinium (Gd2O3), l'oxyde d'europium (Eu2O3) et le diborure d'hafnium (HfB2) sont utilisés dans des configurations mixtes spécifiques contenant du modérateur pour optimiser la conception des barres de commande dans les réacteurs rapides refroidi au sodium (RNR-Na).Dans les réacteurs rapides « classiques », la barre de commande est très souvent le seul système de contrôle. Il est donc très difficile de démontrer la non-fusion du combustible lors d'accidents de remontée intempestive des barres (RIB). Par conséquent, deux conceptions de poisons consommables (PC) sont proposées et étudiées pour réduire les effets de RIB. La première conception de PC charge des actinides mineurs en mode homogène ou hybride. La deuxième conception combine B4C et modérateurs dans les assemblages dédiés.Ces conceptions sont étudiées à l'aide de schémas de calcul avancé dans APOLLO3® qui sont développés et validés dans cette thèse. Ces conceptions sont utilisées dans un grand RNR-Na industriel et dans un petit RNR-Na modulaire, et montrent leur grande flexibilité pour optimiser le contrôle de la réactivité dans les réacteurs rapides.

The Generation-IV reactors could benefit from the fast neutron spectrum to maximize the utilization of uranium resources, improve the management of fissile materials, and help the transmutation of nuclear waste. As the absorption cross-sections decrease with incident neutron energy, the fast spectrum challenges its reactivity control.The conventional control rod is a cluster of open pins with boron carbide (B4C) as the absorber. ^10B enrichment can be adjusted to satisfy the requirements of different cores. However, the operating lifetime of B4C is limited due to its characteristics under irradiation. Alternative absorbers such as gadolinium oxide (Gd2O3), europium oxide (Eu2O3) and hafnium diboride (HfB2) may present some advantages and be used with local addition of moderators to optimize the design of control rods in sodium fast reactors (SFRs).In the conventional fast reactors, the control rod is usually the only reactivity control system, which would lead to fuel melting in control rod withdrawal (CRW) accidents. Therefore, two burnable poison (BP) designs are investigated to reduce core excess reactivity and thus improve the inherent safety performance of reactors. The first BP design load minor actinides in homogenous or hybrid mode. The second BP design combines depleted B4C and moderators in dedicated assemblies.These designs are investigated using the advanced calculation scheme in APOLLO3® that is developed and validated in this thesis. These designs are applied in a large industrial SFR and a small modular SFR, which proves their excellent flexibility to optimize reactivity control in a wide range of fast reactors.