Recherche de l'économie des ressources naturelles par des études de conception de coeurs de réacteurs à eau et à haut facteur de conversion à combustibles mixtes Thorium / Uranium / Plutonium

A search toward natural resources economy, through core designs studies of light Water Reactors with High Conversion Ratio and mixed oxide fuel composed of thorium / uranium / plutonium.

• Auteur / Autrice : Vanessa Vallet
• Direction : Alain Santamarina, Alexis Nuttin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie mécanique
• Date : Soutenance le 12/09/2012
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etudes et de Développement des Coeurs (CEA Cadarache)
• Jury : Président / Présidente : Franck Carre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Santamarina, Alexis Nuttin, Bernard Gastaldi, Daniel Heuer, Luc Van den Durpel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paul Reuss, Eric Serre

Mots clés

Mots clés libres

Économie des ressources

Haut facteur de conversion

Uranium 233

Réacteur à eau légère pressurisée

Scénarios symbiotique

Simulation neutronique

Natural resources economy

High conversion ratio

Uranium 233

Pressurized light water reactors

Symbiotic scenarios

Neutronic simulations

Résumé

Dans le cadre des études neutroniques d'innovation sur les cœurs de Réacteurs à Eau légère Pressurisée (REP) de 3ème génération, la recherche de l'économie des ressources naturelles est fondamentale afin de pérenniser la filière électronucléaire. Cette étude consiste à rechercher l'économie des ressources par la conception de cœurs de réacteurs à hauts facteurs de conversion, s'appuyant sur des combustibles oxydes mixtes à base de thorium / uranium / plutonium, ainsi que d'élaborer des stratégies de multi-recyclage des matières fissiles (plutonium et 233U). La démarche s'est déroulée en quatre étapes. Deux domaines d'étude ont tout d'abord été identifiés, le premier concerne les faibles rapports de modération (RM) et un combustible ThPuO2, le second les RM standards à accrus et un combustible ThUO2. La première voie a conduit à l'étude de Réacteurs Sous-Modérés (RSM) selon les critères de production d'233U accrue et de consommation limitée de plutonium. Deux concepts ont été retenus en particulier, à partir desquels des stratégies de multi-recyclage des matières fissiles ont été élaborées. La production et le recyclage de l'233U exclusivement en RSM limitent l'économie annuelle d'Unat à 30% environ. Il a été mis en évidence que le besoin en plutonium des RSM producteurs d'233U est le facteur limitant. C'est pourquoi un dernier chapitre évalue comment la production d'233U au sein de REP, dès 2020, permet de favoriser la transition vers un cycle symbiotique REP/RSM en relâchant la contrainte sur les inventaires de plutonium. Cette stratégie laisse présager une économie annuelle de l'ordre de 65% d'Unat par rapport à la poursuite du mono-recyclage du MOX en REP.

Within the framework of innovative neutronic conception of Pressurized Light Water Reactors (PWR) of 3rd generation, saving of natural resources is of paramount importance for sustainable nuclear energy production. This study consists in the one hand to design high Conversion Reactors exploiting mixed oxide fuels composed of thorium / uranium / plutonium, and in the other hand, to elaborate multirecycling strategies of both plutonium and 233U, in order to maximize natural resources economy. This study has two main objectives: first the design of High Conversion PWR (HCPWR) with mixed oxide fuels composed of thorium / uranium / plutonium, and secondly the setting up of multirecycling strategies of both plutonium and 233U, to better natural resources economy. The approach took place in four stages. Two ways of introducing thorium into PWR have been identified: the first is with low moderator to fuel volume ratios (MR) and ThPuO2 fuel, and the second is with standard or high MR and ThUO2 fuel. The first way led to the design of under-moderated HCPWR following the criteria of high 233U production and low plutonium consumption. This second step came up with two specific concepts, from which multirecycling strategies have been elaborated. The exclusive production and recycling of 233U inside HCPWR limits the annual economy of natural uranium to approximately 30%. It was brought to light that the strong need in plutonium in the HCPWR dedicated to 233U production is the limiting factor. That is why it was eventually proposed to study how the production of 233U within PWR (with standard MR), from 2020. It was shown that the anticipated production of 233U in dedicated PWR relaxes the constraint on plutonium inventories and favours the transition toward a symbiotic reactor fleet composed of both PWR and HCPWR loaded with thorium fuel. This strategy is more adapted and leads to an annual economy of natural uranium of about 65%.