Conception et optimisation d'un réacteur de type MSFR en sels chlorures et en cycle uranium

Design and optimisation of a Molten Salt Fast Reactor using chloride salts and uranium cycle

• Auteur / Autrice : Hugo Pitois
• Direction : Elsa Merle, Daniel Heuer, Axel Laureau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique, procédés
• Date : Soutenance le 12/10/2023
• 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 : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Derome
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Bertrand, Lydie Giot, David Lecarpentier, Léa Tillard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Hébert, Eric Dumonteil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réacteurs nucléaires

Physique nucléaire -- Recherche

Sels fondus

Mots clés libres

Sels fondus

Msfr

Physique nucléaire

Sels chlorures

4e génération

Sûreté

Molten salts

Generation 4

Nuclear physics

Chloride salts

Msfr

Safety

Résumé

Cette thèse porte sur la conception et l’optimisation d’un réacteur dénommé MSFR-Cl à sels fondus et spectre neutronique rapide (MSFR) surrégénérateur utilisant le cycle uranium et des sels chlorures, avec pour objectifs la fermeture du cycle combustible et la réutilisation des combustibles usés produits par le parc actuel de réacteurs à eau pressurisée.Les premières études portent sur la conception et l’optimisation du réacteur dans sa configuration initiale, en prenant comme point de départ le MSFR de référence à sels fluorures et en cycle thorium.A l’aide du code Serpent2 pour les calculs neutroniques statiques et du code SONGe pour l’optimisation sous contrainte de l’extraction de la chaleur, on s’intéresse d’abord au circuit contenant le sel du combustible. Cela comprend le cœur du réacteur, les boucles de recirculation intégrant les échangeurs de chaleur, et le vase d’expansion. Puis sont dimensionnés au mieux du point de vue neutronique les secteurs contenant le sel fertile améliorant la surrégénération, et les protections neutroniques protégeant les échangeurs de chaleur. On obtient ainsi une configuration de base pour le MSFR-Cl sur laquelle on évalue les coefficients de contre-réaction, importants pour la stabilité intrinsèque du réacteur.On analyse ensuite l’évolution de la composition des matériaux du réacteur au cours de son fonctionnement, avec le code REM réalisant des calculs neutroniques en évolution pilotés par la précision et permettant la prise en compte des alimentations et extractions de matière en continu. Après définition d’un schéma de traitement adapté aux sels chlorures, ces études permettent l’optimisation des débits de traitement des sels combustible et fertile, l’estimation de la consommation des actinides mineurs et l’évaluation de la puissance résiduelle du système, en comparaison avec le MSFR de référence.Puis, à l’aide du code système LiCore, on étudie le comportement du réacteur pour quelques transitoires : insertion de réactivité, suivi de charge, pertes de débit au niveau des pompes.L’étude de ce réacteur se conclue par l’analyse de son impact sur des scénarios de déploiement aux niveaux français et mondial, toujours en comparaison avec le MSFR de référence.Un dernier travail porte sur l’analyse préliminaire d’un autre MSFR à sels chlorures à cœur incinérateur sur cycle uranium et couverture fertile sur cycle thorium, un outil pour un gestionnaire de combustible permettant le traitement des combustibles usés actuels et la production de combustible nouveau (233U) pour les MSFR de référence.

This PhD thesis deals with the design and optimisation of a fast neutron spectrum molten salt Cl-MSFR reactor using the uranium cycle and chloride salts, with the aim of closing the fuel cycle and reusing the spent fuels produced by the current fleet of pressurised water reactors.The initial studies focus on the design and optimisation of the reactor in its initial configuration, taking as a starting point the reference MSFR using fluoride salts and the thorium cycle.Using the Serpent2 code for static neutronics calculations and the SONGe code for constrained optimisation of heat extraction, we first look at the circuit containing the fuel salt. This includes the reactor core, the recirculation loops incorporating the heat exchangers, and the expansion vessel. The sectors containing the fertile salt that enhances breeding, and the neutron shields that protect the heat exchangers, are then sized as best as possible from a neutronics point of view. This gives a basic configuration for the Cl-MSFR, on which the feedback coefficients, important for the intrinsic stability of the reactor, are assessed.The material composition evolution of the reactor over the course of its operation is then analysed, using the REM code, which performs depletion calculations driven by precision and allows continuous material feed and extraction to be taken into account. Following the definition of a treatment scheme suitable for chloride salts, these studies enable the fuel and fertile salt treatment rates to be optimised, the consumption of minor actinides to be estimated and the residual power of the system to be assessed, in comparison with the reference MSFR.Then, using the LiCore system code, the behaviour of the reactor is studied for a number of transients: reactivity insertion, load following, loss of flow at the pumps.The study of this reactor concludes with an analysis of its impact on deployment scenarios in France and worldwide, again in comparison with the reference MSFR.The final work concerns the preliminary analysis of another chloride-salt MSFR with a uranium-cycle burner core and a thorium-cycle fertile blanket, a tool for a fuel manager enabling the processing of current spent fuel and the production of new fuel (233U) for the reference MSFRs.