Capacités de conversion des transuraniens en Réacteurs à Sels Fondus (RSF)

Transuranic elements burning efficiency in Molten Salt Reactors (MSR)

• Auteur / Autrice : Laura Mesthiviers
• Direction : Daniel Heuer, Elsa Merle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique
• Date : Soutenance le 09/12/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Derome
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fanny Courtin, Gabriele Grassi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andreas Pautz, Eric Dumonteil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments transuraniens

Mots clés libres

Réacteur à Sels Fondus (RSF)

Incinérateur d'actinides

Démonstrateur

Transuraniens

Molten Salt Reactor (MSR)

Actinide burner

Prototype

Transuranic elements

Résumé

Ce travail de thèse a consisté en l'étude d’un réacteur rapide à sels chlorures (solvant NaCl-MgCl2) fondus pour la conversion des transuraniens produits en réacteur à eau pressurisée. L’objectif d’un tel réacteur est de fermer le cycle du combustible et de réduire la production de déchets de haute activité à vie longue, rendant l’énergie nucléaire plus durable. Des études sur la composition du sel combustible ternaire ont d’abord été menées et ont montré qu’une haute teneur en actinides, et donc une faible teneur en magnésium, est nécessaire pour qu’un petit cœur soit critique. Elles ont également mis en exergue que concentrer les actinides est nécessaire lorsqu’un vecteur isotopique dégradé est utilisé pour un volume de cœur donné. L’irradiation neutronique des matériaux a été estimée en considérant une puissance spécifique fixée pour différentes tailles de réacteur. La production de DPA augmente avec la taille du cœur considéré à cause de l’augmentation rapide du flux neutronique avec la puissance thermique. Un calcul estimant les coefficients de contre-réaction au démarrage du réacteur pour différents volumes montre un effet de densité très fort, textit{a contrario} de l’effet Doppler presque négligeable. Cependant, il est amélioré dans les cœurs de grandes tailles par l’adoucissement du spectre. Des optimisations géométriques du circuit combustible à l’aide de corrélations neutroniques-thermohydrauliques ont permis de déduire une puissance spécifique limite pour les différentes configurations étudiées. Enfin, le déploiement de MSR dans une flotte électronucléaire en considérant différentes stratégies de retraitement ont permis d’estimer l’impact desdits réacteurs sur le cycle du combustible.

This PhD work focuses on the design of a chloride-based salt fast spectrum molten salt reactor to convert transuranian elements produced in pressurised water reactors. The aim of such a reactor is to close the fuel cycle and to reduce the high-level waste production. First, studies on the ternary fuel salt composition have shown that a high concentration in actinides, and thus a small magnesium proportion, is needed for a small core to be critical. They also indicated the need to concentrate the actinides when using a degraded isotopic vector for a given core volume. Neutron damages to the materials have been estimated for an identical power density in different core sizes. DPA production increases with the size of the reactor due to the rapid growth of the neutron flux with the thermal power. An estimation of the feedback coefficients at the reactor start-up for different reactor sizes has been carried out resulting in a very negative density feedback value, whereas the Doppler feedback coefficient is almost null. However, it is slightly improved in larger cores, thanks to the softening of the neutron spectrum. Geometrical optimisations of the fuel circuit with thermalhydraulic-neutronics correlations allows to deduce the power density limit for the different configuration studies. Finally, MSR deployments in an electronuclear fleet with different fuel cycle strategies were considered to assess the impact of such reactors on the fuel cycle.