Programme électronucléaire: optimisation technico-économique et gestion des infrastructures et du cycle nucléaire

Nuclear power programme: technical and economic optimisation and management of infrastructures and nuclear cycle

• Auteur / Autrice : Albin Gagnepain
• Direction : Sophie Demassey, Nicolas Thiollière
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Contrôle, optimisation, prospective
• Date : Inscription en doctorat le 03/11/2025
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Mathématiques et Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : CMA - Centre de Mathématiques Appliquées
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Mines Paris-PSL

Mots clés

Mots clés libres

Optimisation

Économie

Nucléaire

Optimisation

Economic

Nuclear

Résumé

La lutte contre le changement climatique appelle un changement drastique de nos sociétés et constitue un défi fondamental pour l'humanité. En ce sens, l'Accord de Paris appelle sans ambiguïté une transition vers des systèmes décarbonés jusqu'à un objectif « net zéro » afin que l'activité humaine soit climatiquement neutre et que la température se stabilise. Bien qu'une décarbonation profonde et rapide puisse encore nous permettre d'atteindre l'objectif climatique de moins 2°C (jusqu'à 1,5°C) d'augmentation des températures, cette fenêtre d'opportunité se referme rapidement et le monde est encore bien loin de remplir ces objectifs climatiques. Les filières énergétiques doivent donc évoluer fortement – notamment avec le développement à grande échelle des énergies renouvelables – et des questions se posent sur la place de l'énergie nucléaire dans la décarbonation. En particulier, le rôle du nucléaire dans l'électrification des usages pour décarboner le mix énergétique au niveau mondial est à la fois prépondérant et débattu. Face à ces enjeux et questionnements, les modèles prospectifs ont vocation à éclairer le débat public en permettant d'explorer les futurs possibles de nos sociétés et ainsi nous aider à prendre des décisions pertinentes. Pour interroger la résilience du futur mix électrique dans le contexte de transition, nous proposons de renforcer la représentation de la filière nucléaire dans le modèle mondial d'évaluation intégré long terme TIAM-FR, avec, notamment, la flexibilité des réacteurs, le cycle des combustibles, la synergie avec l'environnement, ou les choix politiques et sociaux. En particulier, des aspects à considérer résident dans l'intégration d'une gestion endogène du cycle du combustible, ouvrant sur les contraintes liées à l'extraction minière et l'enrichissement de l'uranium, mais aussi, au recyclage et à la gestion durable des déchets nucléaires, sans oublier les problématiques liées à la disponibilité en eau. Nous développerons alors ainsi des scénarios à l'échelle de différentes régions (comme l'Europe, la Chine et l'Inde, les États-Unis d'Amérique) portant sur les perspectives de développement de la filière nucléaire sous le prisme du développement technologique, mais aussi, des stratégies politiques internationales et des externalités liées à ces solutions. Le formalisme mathématique sous-jacent à de nombreux modèles de planification intégrés, dont TIAM-FR, est celui de la programmation linéaire, car la résolution de ces modèles de très grandes tailles peut alors être réalisée par des algorithmes génériques, puissants et robustes. La complexité croît cependant avec la portée du modèle et des algorithmes alternatifs, tenant compte des spécificités du modèle, peuvent s'avérer plus efficaces. Dans ce projet, nous proposons d'implémenter une méthode de résolution exacte basée sur une décomposition temporelle du modèle, visant trois objectifs : limiter le coût de calcul en ressources et en temps, appréhender les différences d'échelles des modèles sans nécessité de les homogénéiser, mieux donner à voir l'impact des stocks de ressources qui apparaissent dans le couplage inter-temporel de la planification. Au final, ce projet comprend trois volets interdépendants : 1/ identifier les données clés, relatives au nucléaire, requises pour fiabiliser les modèles et les prioriser ; 2/ les formuler dans un modèle technico-économique du système énergétique mondial comme données endogènes ou comme scénarios et les évaluer ; 3/ mettre en œuvre un algorithme de résolution par décomposition adapté pour appréhender les différences d'échelles.

The fight against climate change calls for a drastic change in our societies and represents a fundamental challenge for humanity. In this sense, the Paris Agreement unambiguously calls for a transition to decarbonised systems with a view to achieving a ‘net zero' objective, so that human activity becomes climate neutral and temperatures stabilise. Although deep and rapid decarbonisation could still enable us to achieve the climate target of minus 2°C (up to 1.5°C) temperature rise, this window of opportunity is closing fast and the world is still a long way from meeting these climate targets. As a result, energy systems will have to evolve significantly - particularly with the large-scale development of renewable energies - and questions are being asked about the role of nuclear energy in decarbonisation. In particular, the role of nuclear power in the electrification of uses to decarbonise the global energy mix is both preponderant and debated. Faced with these issues and questions, forward-looking models are designed to inform public debate by exploring the possible futures of our societies and helping us to make the right decisions. In order to examine the resilience of the future electricity mix in the context of transition, we propose to strengthen the representation of the nuclear sector in the TIAM-FR long-term integrated global assessment model, with particular reference to reactor flexibility, the fuel cycle, synergy with the environment, and political and social choices. In particular, aspects to be considered include the integration of endogenous management of the fuel cycle, opening up constraints linked to uranium mining and enrichment, as well as recycling and sustainable management of nuclear waste, not forgetting issues linked to water availability. We will then develop scenarios for different regions (such as Europe, China and India, and the United States of America) looking at the development prospects for the nuclear industry from the point of view of technological development, international political strategies and the externalities associated with these solutions. The mathematical formalism underlying many integrated planning models, including TIAM-FR, is that of linear programming, because the resolution of these very large models can then be achieved by generic, powerful and robust algorithms. However, the complexity increases with the scope of the model, and alternative algorithms that take account of the specific features of the model may prove more effective. In this project, we propose to implement an exact resolution method based on a temporal decomposition of the model, with three objectives in mind: to limit the computational cost in terms of resources and time, to capture the differences in scale of the models without the need to homogenise them, and to better show the impact of the resource stocks that appear in the inter-temporal coupling of planning. Ultimately, this project has three interdependent components: 1/ identifying and prioritising the key nuclear-related data required to make the models more reliable; 2/ formulating and evaluating them in a techno-economic model of the global energy system as endogenous data or as scenarios; 3/ implementing a decomposition-based resolution algorithm adapted to take account of differences in scale.