Vers une approche repensée de la conception des réacteurs rapides : quels réacteurs pour quels objectifs ?

Revisiting fast nuclear reactor design : Finding the technology best adapted to changing needs

• Auteur / Autrice : Jean Pierre Amath Sarr
• Direction : Frédéric Bertrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides énergétique, procédés
• Date : Soutenance le 29/09/2023
• 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 : Xavier Doligez, Axel Laureau, Barbara Vezzoni
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Andrei Rineiski, Olivier Boutin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie nucléaire

Mots clés libres

Réacteurs rapides

Conception repensée

Approche globale

Options de conception

Cartographie

Fast reactors

Revisited design approach

Global consideration

Design options

Mapping

Résumé

Les objectifs et contraintes en lien avec le développement du nucléaire civil ont été en constante évolution. La crise pétrolière des années 70 a conduit la France à retenir la technologie de Réacteur à Eau Pressurisée (REP) dans le cadre d’une politique nationale qui aspire à une réelle indépendance énergétique vis-à-vis des combustibles fossiles importés. Puis, l’objectif d’indépendance énergétique s’est élargi et la question de la disponibilité de l’uranium s’est posée. Les efforts de R&D se sont alors concentrés sur les Réacteurs à Neutrons Rapides (RNR) du fait de leur capacité de surgénération, permettant sur le long terme de se passer totalement des importations d’uranium naturel. A l’heure actuelle, de nouveaux objectifs ont gagné en priorité tels que l’accès à l’énergie nucléaire à faible coût d’investissement, la décarbonation de secteurs industriels énergivores, l’alimentation en énergie de sites isolés, etc. Ces défis conduisent plutôt vers le développement du concept des Small/ Advanced Modular Reactors plus à même de répondre à ces nouveaux objectifs du nucléaire civil.D’une part, ce bref historique met en évidence l’évolution des objectifs demandés aux réacteurs nucléaires et plus particulièrement aux RNR. D’autre part, on retiendra de cet historique que le concept et la conception de réacteur le plus adapté changent avec les objectifs auxquels il se doit de répondre. Partant de ce constat, ce travail de thèse se propose de reconsidérer la démarche de conception des RNR pour permettre la prise en compte de l’évolution de ces besoins, mais aussi, l’analyse des conceptions optimales de RNR en fonction des objectifs souhaités.La démarche conventionnelle de conception des RNR étant une démarche itérative, longue et coûteuse, surtout avec l’usage des codes de référence ayant la caractéristique d’être gourmand en temps de calcul, la thèse a dans un premier temps consisté à la mise en place d’une nouvelle approche de conception multicritères permettant de se substituer aux outils de référence et de réduire les durées du processus de conception.Le développement d’approches multicritères pour la conception de réacteurs n’est pas une problématique nouvelle dans le sens où elle a déjà été traitée dans la littérature scientifique, ce qui a conduit à la mise en place de méthodologies dédiées. Cependant, ces méthodologies restent des approches locales qui se limitent le plus souvent au cœur du réacteur et à quelques critères de performances qu’on cherche à optimiser. L’approche proposée dans cette thèse se veut être une approche globale en permettant la considération durant le processus de conception de plusieurs composants du réacteur à savoir le cœur, les assemblages combustibles et de maitrise de la réactivité, la chaudière, les systèmes de manutention, etc.De par cette approche, la contribution principale de la thèse a consisté au développement d’un outil de conception permettant d’avoir accès à un grand nombre de critères de performance pour les RNR, mais aussi, de rapidement cartographier l’espace des conceptions optimales de RNR vis-à-vis d’objectifs cibles et en fonction des choix technologiques retenus. Plusieurs estimateurs statistiques et affichages graphiques sont aussi proposés par l’outil mis en place pour permettre la compréhension et l’interprétation des conceptions fournies.Cet outil a été validé en comparant les résultats qu'il fournit avec les données exactes d'un RNR qui a été historiquement construit. Au terme de cet exercice, la précision de l'outil a été jugée satisfaisante, même si des modélisations supplémentaires seraient intéressantes à faire.

The oil crisis of the 1970s was the main reason for the launch of the French civil nuclear power programme. This programme, which involved the construction of nuclear power plants using Pressurized Water Reactor (PWR) was part of a national policy aimed at achieving real energy independence from imported fossil fuels. Later on, this goal of energy independence was broadened and the question of the availability of uranium resources was raised. R&D efforts then focused on Fast Reactor (FR) technology because of its ability to achieve breeding i.e., to produce more fissile material than the reactor consumes, which in the long term should make it possible to overcome uranium supply constraints. Today, new objectives are emerging, such as access to nuclear energy at low investment cost, decarbonization of energy-intensive industrial sectors, energy supply to isolated sites, etc. These challenges are leading to the development of new nuclear technologies, such as Small/Advanced Modular Reactors, which are better suited to meeting these new objectives for civil nuclear power.On the one hand, this brief history highlights the changing needs that nuclear reactors, and in particular FR, have to meet. On the other hand, this history shows that the most suitable reactor concept and design changes with the objectives it has to meet. Based on this observation, the aim of this thesis is to revisit the FR design approach to allow the changing objectives assigned to nuclear power to be taken into account as well as the analysis of the optimal FR designs according to the targeted objectives.Since the conventional approach to FR design is iterative, lengthy and costly, especially with the use of reference codes, which have the characteristic of being time-consuming to compute, the thesis consisted initially in the implementation of a new multi-criteria design approach based on the construction of surrogate models for reference codes, the aim of these models being to reduce the duration of the design process.The development of multi-criteria approaches to reactor design is not a new problem in the sense that it has already been addressed in the scientific literature, leading to the implementation of dedicated methodologies. However, these methodologies remain local approaches, mostly limited to the reactor core and to a few performance criteria to be optimised. The approach proposed in this thesis is intended to be a global approach, allowing several components of the reactor to be considered during the design process, including the core, the fuel and reactivity control assemblies, the reactor vessel, the handling systems, etc.Based on this approach, the main contribution of the thesis was the development of a design tool that provides access to a large number of performance criteria for FR, but also allows to quickly map the space of optimal FR designs with respect to the targeted objectives and according to the technological choices made. The tool also provides a number of statistical estimators and graphical displays to help understand and interpret the results provided.This tool was validated by comparing the results it provides with exact data from a historically built FR. At the end of this exercise, the accuracy of the tool was found to be satisfactory, although it would be interesting to carry out additional modelling.