Etude d'un concept innovant de réacteur nucléaire : modélisation des bulles de gaz dans un réacteur à sels fondus

Study of an innovative nuclear reactor concept: modeling of gas bubbles in a molten salt reactor

• Auteur / Autrice : Nicolas Gueritat
• Direction : Jacques Lechelle, Pablo Rubiolo
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : MATIERE CONDENSEE et NANOSCIENCES
• Date : Inscription en doctorat le 17/10/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA Cadarache - IRESNE

Mots clés

Mots clés libres

Réacteur à sels fondus

Gaz de fission

Nucléation

Ecoulement multiphasique

Molten salt reactors

Fission gas

Nucleation

Multiphase flow

Résumé

Testé avec succès dans les années 1960, le concept de réacteur à sels fondus revient en force dans les études prospectives, sous sa forme à neutrons rapide. Sa souplesse d'utilisation et ses qualités de sûreté le rendent très attractif, en particulier pour la transmutation des noyaux de certains actinides (plutonium ou déchets nucléaires). Son déploiement permettrait de réduire la quantité de matières nucléaires stockées tout en produisant une énergie décarbonée bon marché. Dans ce concept très original, la matière fissile (actinides) est dissoute dans un sel fondu (ex. NaCl) : combustible et caloporteur constituent un même fluide, ce qui amène de nouvelles questions scientifiques et technologiques porteuses d'innovation. Dans ce concept de réacteur, certains produits de fission, appelés incondensables (Hélium, Xénon, Krypton), sont peu solubles dans les sels fondus envisagés et peuvent ségréger dans une phase gazeuse lorsqu'ils atteignent leur limite de solubilité. Or, cette phase gazeuse modifie le taux de vide, ce qui pourrait affecter la cinétique des contre-réactions en densité (du fait de leur impact sur la vitesse du son). Plus précisément, le principal résultat visé au cours de la thèse est la mise en place d'un guide générique donnant les conditions pour lesquelles un taux de vide significatif apparaît. Nous étudions l'impact de divers paramètres sur la production de bulles, à savoir : • la gamme de pression et de température dans le réacteur, • les caractéristiques de l'écoulement, variables selon la zone dans le réacteur (cœur, échangeurs, conduites, …) • la géométrie des sites de nucléation sur les parois du réacteur, L'ensemble de ces travaux devrait fournir un référentiel de connaissances et des outils permettant : • de déterminer les paramètres les plus influents sur le taux de vide, • d'évaluer les scénarios entraînant des modifications de conditions favorables à la nucléation, et à la croissance du taux de vide, • de donner un encadrement de la valeur du taux de vide selon les conditions données, afin d'aider le projet à la fois sur l'évaluation de son impact sur le fonctionnement du réacteur et sur le dimensionnement de dispositifs d'enlèvement des gaz.

Successfully tested in the 1960s, the molten salt reactor concept, in its fast neutron form, is making a strong comeback in prospective studies. Its flexibility of use and its safety characteristics make it very attractive, in particular for the transmutation of certain actinide nuclei (plutonium or nuclear waste). Its use would make it possible to reduce the amount of nuclear material in storage while producing cheap, carbon-free energy. In this very original concept, the fissile material (actinides) is dissolved in a molten salt (e.g. NaCl): the fuel and the coolant are the same fluid, which raises new scientific and technological questions and is a source of innovation. In this reactor concept, certain fission products, known as incondensables (Helium, Xenon, Krypton), are sparingly soluble in the molten salts envisaged, and may segregate in a gaseous phase when they reach their solubility limit. However, this gaseous phase modifies the vacuum rate, which could affect the kinetics of density counter-reactions (due to their impact on the speed of sound). More specifically, the main aim of this thesis is to establish a generic guide to the conditions under which a significant void ratio occurs. We are investigating the impact of various parameters on bubble production, namely : - the pressure and temperature range in the reactor, - flow characteristics, which vary according to the zone in the reactor (core, exchangers, pipes, etc.) - the geometry of nucleation sites on reactor walls, All this work should provide a repository of knowledge and tools for : - determine the most influential parameters on void rate, - evaluate scenarios leading to changes in conditions favorable to nucleation, and to vacuum rate growth, - provide a framework for the value of void rate under given conditions, to help the project both in assessing its impact on reactor operation and in sizing gas removal devices.