Comparative analysis of operation and safety of subcritical nuclear systems and innovative critical reactors

• Auteur / Autrice : Pavel Bokov
• Direction : Éric Liatard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Grenoble 1

Résumé

L'objectif de ce travail de thèse est d'examiner le rôle de la sous-criticité du cœur, en tant que moyen pour améliorer la sûreté des systèmes nucléaires innovants, notamment des réacteurs à sel fondu, dédiés à la production d'énergie et/ou à la transmutation/incinération des déchets nucléaires. La sûreté intrinsèque est considérée comme l'objectif ultime de cette amélioration. Une tentative d'appliquer une approche systématisée pour l'analyse de la contribution de la sous-criticitité au comportement intrinsèque des systèmes hybrides est effectuée. Les résultats de cette étude prouvent que la sous-criticité améliore bien la sûreté des réacteurs nucléaires, et même, dans certaines configurations, permet d'attendre la sûreté intrinsèque. Dans tous les cas, un choix approprié du niveau de sous-criticité rend les transitoires plus lents et monotones. Il est montré que le point faible pour des systèmes hybrides avec une source indépendante de neutrons sont les transitoires thermo-hydrauliques non protégés tandis que pour des hybrides avec des sources couplées ce sont les transitoires de réactivité. Pour surmonter les inconvénients intrinsèques à ces deux types de systèmes hybrides, un nouveau principe de réalisation des systèmes hybrides couplés est proposé (concept DENNY). De plus, des approches, qui permettent de remédier à certains problèmes de sûreté, sont proposées. Une analyse préliminaire du potentiel de sûreté intrinsèque pour un réacteur à sel fondu avec spectre rapide (concept REBUS) est effectuée. Enfin, le potentiel des sources alternatives de neutrons basées sur des réactions thermonucléaires et photo-nucléaires est examiné.

The main goal of this thesis work is to investigate the role of core subcriticality fot safety enhancement of advanced nuclear systems, in partieular, molten salt reactors, devoted to both energy production and waste incineration/transmutation. The inherent safety is considered as ultimate goal of this safety improvement. An attempt to apply a systematie approach for the analysis of the subcritieality contribution to inherent properties of hybrid system was performed. The results of this research prove that in many cases the subcriticality may improve radieally the safety characteristies of nuclear reactors, and in sorne configurations it helps to reach the "absolute" intrinsie safety. Ln any case, a proper choiee of subcriticality level makes aIl analyzed transients considerably slower and monotonie. It was shown that the weakest point of the independent-source systems with respect to the intrinsie safety is thermohydraulic unprotected transients, while in the case of the coupled-source systems the excess reactivity / current insertion events remain a matter of concern. To overcome these inherent drawbacks a new principle of realization of a coupled sub-critieal system (DENNY concept) is proposed. Ln addition, the ways to remedy sorne particular safety-related problems with the help of the core sub-criticality are demonstrated. A preliminary safety analysis of the fast-spectrum molten salt reactor (REBUS concept) is also carried out in this thesis work. FinaIly, the potential of the alternative (to spallation) neutron sources for application in hybrid systems is examined.