Mise au point et optimisation de SMR innovants de quatrième génération

par Johann Martinet

Projet de thèse en MEP : Mécanique des fluides Energétique, Procédés

Sous la direction de Elsa Merle et de Daniel Heuer.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de I-MEP2 - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production , en partenariat avec Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie (laboratoire) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    L'augmentation de la demande énergétique mondiale, notamment en Asie, rend nécessaire l'étude de réacteurs nucléaires de quatrième génération qui peuvent à la fois régénérer leur combustible et minimiser les déchets qu'ils produisent. Par ailleurs, l'augmentation de la part des énergies renouvelables dans la production électrique, en particulier dans les pays de l'OCDE, et le manque actuel de perspective pour un stockage économique de l'énergie, nécessitent le maintien de sources de production de base ayant une grande flexibilité de production. Le nucléaire étant la principale source de production de base non carbonée, les réacteurs de quatrième génération devront être capables de modifier rapidement leur puissance afin de venir compléter la production des sources intermittentes telles que l'éolien et le photovoltaïque. Ceci crée de nouvelles problématiques et ainsi de nouvelles thématiques de recherche. Il est ainsi nécessaire d'imaginer et de développer des systèmes nucléaires innovants permettant de contribuer à ce nouveau mix énergétique tout en étant acceptables du point de vue de la sûreté, des déchets et du coût. Dans ce contexte, le concept de réacteurs modulaires de faible puissance (les Small Modular Reactors - SMRs) est envisagé. Il existe aux Etats-Unis de nombreuses idées de SMR. Les études et optimisations de SMR innovants, de quatrième génération, ayant un fonctionnement souple nécessitent la mise au point de nouvelles méthodologies d'analyse compatibles avec ce type de réacteur notamment dans les domaines de la sûreté, de la résistance à la prolifération et de la protection physique, et le développement d'outils innovants de simulation multi-physique. Ces nouveaux outils de simulation et méthodes ont comme vocation d'être plus génériques et adaptés pour une large gamme de réacteurs innovants, dans le but de faciliter leur qualification. Leur développement se place dans un cadre de collaborations existant notamment entre le CNRS, AREVA- NP, le CEA, EDF et l'IRSN, au sein notamment du programme interdisciplinaire NEEDS, de projets européens tels que SAMOFAR ou encore du Forum International Generation 4. Le sujet de thèse proposé porte ainsi sur la mise au point et l'optimisation de SMR innovants de quatrième génération, avec le développement de méthodologies adaptées à l'étude de tels réacteurs. Les études réalisées par le doctorant seront également basées sur des outils de simulation neutronique tel du Monte Carlo évoluant et un code couplé neutronique-thermohydraulique utilisant un modèle neutronique hybride précis et rapide. Cela permettra d'effectuer d'une part des calculs d'évolution du combustible pour calculer les paramètres neutroniques de fonctionnement et de sûreté du cœur avec un combustible contenant majoritairement du plutonium et de l'uranium appauvri. D'autre part le code couplé sera utilisé pour la réalisation de calculs de transitoires de fonctionnement normaux et accidentels afin d'étudier dynamiquement le fonctionnement de cœurs et d'optimiser leur comportement au regard par exemple du suivi de charge ou de situations accidentelles. Tout ceci mènera à des études telles que le choix de la puissance spécifique du réacteur, la définition des procédures de suivi de charge compte tenu des différentes astreintes technologiques et de sûreté à respecter, et la durée des cycles et la gestion du combustible. Enfin ces travaux seront réalisés en collaboration avec des experts en retraitement et cycle du combustible afin de permettre la définition de l'ensemble du système. Ces études devraient permettre notamment d'évaluer les capacités et les apports des SMR de quatrième génération en termes de pilotabilité et de gestion du plutonium et des actinides mineurs.

  • Titre traduit

    Development and optimisation of innovative fourth generation SMR.


  • Résumé

    L'augmentation de la demande énergétique mondiale, notamment en Asie, rend nécessaire l'étude de réacteurs nucléaires de quatrième génération qui peuvent à la fois régénérer leur combustible et minimiser les déchets qu'ils produisent. Par ailleurs, l'augmentation de la part des énergies renouvelables dans la production électrique, en particulier dans les pays de l'OCDE, et le manque actuel de perspective pour un stockage économique de l'énergie, nécessitent le maintien de sources de production de base ayant une grande flexibilité de production. Le nucléaire étant la principale source de production de base non carbonée, les réacteurs de quatrième génération devront être capables de modifier rapidement leur puissance afin de venir compléter la production des sources intermittentes telles que l'éolien et le photovoltaïque. Ceci crée de nouvelles problématiques et ainsi de nouvelles thématiques de recherche. Il est ainsi nécessaire d'imaginer et de développer des systèmes nucléaires innovants permettant de contribuer à ce nouveau mix énergétique tout en étant acceptables du point de vue de la sûreté, des déchets et du coût. Dans ce contexte, le concept de réacteurs modulaires de faible puissance (les Small Modular Reactors - SMRs) est envisagé. Il existe aux Etats-Unis de nombreuses idées de SMR. Les études et optimisations de SMR innovants, de quatrième génération, ayant un fonctionnement souple nécessitent la mise au point de nouvelles méthodologies d'analyse compatibles avec ce type de réacteur notamment dans les domaines de la sûreté, de la résistance à la prolifération et de la protection physique, et le développement d'outils innovants de simulation multi-physique. Ces nouveaux outils de simulation et méthodes ont comme vocation d'être plus génériques et adaptés pour une large gamme de réacteurs innovants, dans le but de faciliter leur qualification. Leur développement se place dans un cadre de collaborations existant notamment entre le CNRS, AREVA- NP, le CEA, EDF et l'IRSN, au sein notamment du programme interdisciplinaire NEEDS, de projets européens tels que SAMOFAR ou encore du Forum International Generation 4. Le sujet de thèse proposé porte ainsi sur la mise au point et l'optimisation de SMR innovants de quatrième génération, avec le développement de méthodologies adaptées à l'étude de tels réacteurs. Les études réalisées par le doctorant seront également basées sur des outils de simulation neutronique tel du Monte Carlo évoluant et un code couplé neutronique-thermohydraulique utilisant un modèle neutronique hybride précis et rapide. Cela permettra d'effectuer d'une part des calculs d'évolution du combustible pour calculer les paramètres neutroniques de fonctionnement et de sûreté du cœur avec un combustible contenant majoritairement du plutonium et de l'uranium appauvri. D'autre part le code couplé sera utilisé pour la réalisation de calculs de transitoires de fonctionnement normaux et accidentels afin d'étudier dynamiquement le fonctionnement de cœurs et d'optimiser leur comportement au regard par exemple du suivi de charge ou de situations accidentelles. Tout ceci mènera à des études telles que le choix de la puissance spécifique du réacteur, la définition des procédures de suivi de charge compte tenu des différentes astreintes technologiques et de sûreté à respecter, et la durée des cycles et la gestion du combustible. Enfin ces travaux seront réalisés en collaboration avec des experts en retraitement et cycle du combustible afin de permettre la définition de l'ensemble du système. Ces études devraient permettre notamment d'évaluer les capacités et les apports des SMR de quatrième génération en termes de pilotabilité et de gestion du plutonium et des actinides mineurs.