Le multi-recyclage du plutonium dans les réacteurs à eau pressurisée : développement de méthodes d'optimisation des gestions combustibles

Plutonium multi-recycling in pressurised water reactors : methods development for fuel management optimisation

• Auteur / Autrice : Paul Servell
• Direction : Guillaume Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energie, rayonnement et plasma
• Date : Soutenance le 19/12/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA Cadarache (Bouches-du-Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Lounès Tadrist
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Enrico Girardi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Doligez, Sandra Dulla

Mots clés

Mots clés contrôlés

Minerais -- Échantillonnage et estimation

Combustibles nucléaires

Plutonium (combustible)

Mots clés libres

Multi-Recyclage du plutonium

Méthode d’optimisation multi-objectifs

Simulation de REP

Cycle du combustible

Combustible MIX

Métamodèles par krigeage

Plutonium multi-Recycling

Plutonium multi-Recycling

PWR simulation

Nuclear fuel cycle simulation

MIX fuel

Kriging surrogates models

Résumé

En 2019, le gouvernement français a introduit dans sa Programmation Pluriannuelle de l’Énergie l’objectif de démontrer la faisabilité industrielle du multi-recyclage du plutonium dans les Réacteurs à Eau Pressurisée (REP), et conserver la possibilité d’introduire des Réacteurs à Neutrons Rapides (RNR). Le combustible sélectionné doit à la fois respecter les critères de conception des réacteurs et de sûreté nucléaire, être viable économiquement et permettre l’introduction de RNR en stabilisant l’inventaire en plutonium dans le cycle. Démontrer cette faisabilité nécessite de développer des méthodes d’optimisations permettant l’étude d’espaces de conception complexes, prenant en compte différents objectifs et contraintes d’optimisation parfois antagonistes. Cette thèse présente une méthode d’optimisation du combustible en REP qui repose sur l’utilisation de métamodèles créés par krigeage à partir de calculs de cœur. Grâce à cette méthode d'optimisation, deux études sont réalisées. La première porte sur l’optimisation du combustible MIX, un combustible MOX avec un support en uranium naturel ou enrichi, dans le cadre du multi-recyclage du Pu. Il s’agit de l’étude d’un réacteur de type EPR chargé à 100 % en MIX, où l’enrichissement en U-235, la teneur en Pu et sa composition isotopique évolue. La seconde propose l’optimisation d’un scénario de référence d’un parc électronucléaire composé de réacteurs de type EPR chargés en MIX et d’autres en UOX. Une méthode de chainage, dérivée de la méthode d’optimisation, est utilisée pour simuler en cœur les combustibles calculés dans l’étude de scénario et proposer de nouvelles trajectoires respectant les contraintes des études de cœur.

In 2019, the French government modified its mid-term plutonium management policy, with the introduction of a milestone to demonstrate the industrial feasibility of its multi-recycling in Pressurised Water Reactors (PWR), while keeping the ability to introduce a Fast Reactor (FR) fleet by the end of the century, for which the fuel will be obtained by processing of the PWR spent fuel. The selected nuclear fuel need to meet numerous targeted requirements or drivers including nuclear safety, economic viability and allow FR introduction through fuel cycle plutonium inventory stabilisation. Demonstration of this possibility requires efficient and innovative optimisation methods development, which takes into account the sometimes contradictory set of criteria. This Ph.D work presents the development of such a method for multi-objectives fuel optimisation in PWR. It relies on COCAGNE core simulation code and on kriging-made surrogates models. Two studies were carried out in the work. The first one focuses on MIX fuel optimisation, a fuel obtained by used MOX fuel reprocessing with a natural or enriched uranium matrix, in a 100 % MIX-loaded EPR-like reactor core, with variations of the U-235 and plutonium enrichment, plutonium fissile quality and Pu-241 mass fraction. The second one looks after scenario analysis, with the optimisation of a reference plutonium multi-recycling with MIX scenario. A chaining method between scenario and core calculation codes, derivated from the optimisation one, is used here to in-core simulate the fuel configurations calculated through the scenario study and to present a new, optimised, scenario, respecting core studies constraints and criteria.