Etude de la résilience de scénarios électronucléaires

Resilience analysis of nuclear fuel cycle scenarios

• Auteur / Autrice : Weifeng Zhou
• Direction : Patrick Blaise
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Soutenance le 14/10/2020
• 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 : CEA Cadarache (Bouches-du-Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Elsa Merle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Adrien Bidaud, Nicolas Thiollière
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain David, Paul P.H. Wilson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Incertitude

Mots clés libres

Scénario électronucléaire

Incertitude

Disruption

Résistance

Résilience

Algorithme SUR

Nuclear fuel cycle scenarios

Uncertainty

Disruption

Resistance

Resilience

SUR algorithm

Résumé

Les systèmes du cycle du combustible nucléaire, composés de réacteurs, de divers combustibles et de différentes installations de cycle, sont complexes et en constante évolution. Grâce à leur capacité à faire des projections de stratégies industrielles et à évaluer les impacts associés sur le système du cycle du combustible nucléaire, les scénarios électronucléaires sont considérés comme un outil puissant d'aide à la décision. Les études de scénarios aident les décideurs à identifier les forces et les faiblesses des différentes stratégies d'évolution d’un parc nucléaire et puis à proposer des trajectoires d'évolution possibles pour l'industrie nucléaire en fonction des contraintes de la physique, de l'économie, de l'industrie, etc.Cependant, les études de scénarios sont généralement soumises à différents types d'incertitudes, en particulier la soi-disant « incertitude profonde » (« deep uncertainty » en anglais). Ce concept fait référence à des « inconnues inconnues », auxquelles les résultats de l'étude de scénarios ne conviennent pas. En effet, sous l'impact des incertitudes profondes, c'est-à-dire les disruptions, les trajectoires proposées par les études de scénarios peuvent devenir invalides : elles ne satisfont plus aux contraintes du scénario.Afin de rendre les trajectoires valides à nouveau après une disruption due à l'incertitude, la première possibilité est d'étudier la stratégie de résistance. La stratégie de résistance consiste à trouver des trajectoires qui restent valides sous l'impact de l'incertitude sans réajustements exogènes des trajectoires. Cependant, les capacités de résistance des scénarios sont limitées : la résistance n'est adaptée qu'aux incertitudes à faible impact, alors que l'impact d'une incertitude profonde est généralement fort.Comme solution complémentaire à la stratégie de résistance, nous proposons d'utiliser les stratégies de résilience. Les stratégies de résilience consistent à utiliser des mesures préconçues, appelées « leviers », pour réajuster la trajectoire lorsque la stratégie de résistance est insuffisante. Nous cherchons à utiliser l'effet des réajustements exogènes des trajectoires, qui sont introduits à travers les leviers, pour contrebalancer l'impact de la disruption et garder la trajectoire valide. Pour évaluer la résilience des scénarios, nous avons développé un cadre d'analyse de résilience, basé sur l'algorithme SUR (Stepwise Uncertainty Reduction).Nous avons appliqué la stratégie de résilience développée à deux problèmes de scénario dans lesquels un parc nucléaire français simplifié avec une réduction de puissance incertaine est considéré. Pour définir la validité des trajectoires, nous avons imposé cinq contraintes sur le taux d'utilisation des usines de retraitement, la séparation du plutonium, la teneur de plutonium dans le combustible MOX et le stockage du combustible usé. Dans chaque problème, nous avons donné une trajectoire préalable supposée à la suite d'une étude de scénarios avec une hypothèse pour maintenir la puissance installée constante à l’avenir. Nous avons supposé qu'à la suite de la disruption du contexte de l'étude, la puissance électrique totale est disruptée et réduite à l’avenir. Les résultats ont montré que les trajectoires préalables dans les deux problèmes sont résilientes vis-à-vis des disruptions supposées : il est possible de maintenir les trajectoires préalables valides en réajustant le retraitement et les charges de combustible MOX dans les réacteurs. Ces résultats démontrent que les évolutions du parc nucléaire dans les trajectoires préalables sont flexibles face à la disruption de la puissance électrique totale.

Nuclear fuel cycle systems, composed of reactors, various fuels, and different cycle facilities, are complex and in constant evolution. Thanks to their abilities to make projections of industrial strategies and to assess the associated impacts on nuclear fuel cycle systems, nuclear fuel cycle scenarios are considered as a powerful tool for decision-making analyses. Scenario studies assist decision-makers in identifying the strengths and weaknesses of different strategies for a nuclear fleet evolution and then proposing possible evolution trajectories for the nuclear industry according to constraints from physics, economics, industry, etc.However, scenario studies are usually subject to different kinds of uncertainties, especially the so-called “deep uncertainty.” This concept refers to “unknown unknowns,” which scenario study results are unsuited to address. Indeed, under the impact of deep uncertainty, i.e., disruptions, the trajectories proposed by the scenario studies can become invalid: they do not satisfy the scenario constraints anymore.In order to make the trajectories valid again after disruption due to uncertainty, the first possibility is to study the resistance strategy. The resistance strategy consists of finding scenario trajectories that remain valid under the impact of uncertainty without exogenous readjustments of trajectories. However, the resistance capabilities of scenarios are limited: resistance is only adapted to uncertainties with small impact, while the impact of deep uncertainty is usually strong.As a complementary solution to the resistance strategy, we propose using resilience strategies. The resilience strategies consist of using predesigned measures, called “levers,” to readjust the scenario trajectory when the resistance strategy is insufficient. We aim to use the effect of the exogenous readjustments of trajectories, which are introduced through the levers, to counterbalance the impact of disruption and remain the trajectory valid. To evaluate the resilience of scenarios, we developed a resilience analysis framework, based on the start-of-the-art SUR (Stepwise Uncertainty Reduction) algorithm.We applied the developed resilience strategy to two scenario problems in which a simplified French nuclear fleet with uncertain power reduction is considered. To define the validity of trajectory, we imposed five constraints about the reprocessing plant utilization ratio, plutonium separation, plutonium content in MOX fuel, and spent fuel storage. In each problem, we gave a prior trajectory supposed as a result of a scenario study with a hypothesis to keep the installed power constant in the future. We assumed that following the disruption of the study context, the total electricity power is disrupted and reduced in the future. The results showed that the prior trajectories in both problems are resilient for the assumed disruptions: it is possible to keep the prior trajectories valid by readjusting the reprocessing and the MOX fuel loadings in reactors. Such results demonstrate the evolutions of the nuclear fleet in the prior trajectories are flexible in front of the disruption of total electricity power.