Design of a Nuclear reactor for space electric propulsion

Conception d’un réacteur nucléaire de propulsion électrique pour l’espace L’utilisation de l’énergie nucléaire pour des missions d’exploration spatiale est une option très attractive du fait des caractéristiques intrinsèques des réacteurs nucléaires: densité de puissance élevée, flexibilité d’utilisation et durées de vie supérieures à 10 ans. Parmi les diverses technologies de propulsion nucléaire spatiale, la Propulsion Electrique Nucléaire (PEN), est un concept prometteur qui utilise la chaleur produite par les fissions nucléaires pour produire l’électricité qui alimente ensuite un système de propulsion électrique. Les propulseurs nucléaires électriques sont en général conçus pour des missions longues et donc pour fonctionner pendant des années, ce qui leur permet d’obtenir de meilleures impulsions totales et spécifiques. Par ailleurs, la PEN offre d’importants avantages pour la réalisation des essais au sol, pour l’opération et la fiabilité.Parmi les différents concepts de réacteurs qui pourraient être envisagés pour la PEN, les réacteurs à sels fondus (RSFs) offrent certains avantages en raison de leurs caractéristiques uniques. Un RSF permet de concevoir un cœur avec une densité de puissance et une température de fonctionnement élevées, une pression de combustible et des gradients de température faibles, ainsi que des systèmes de contrôle de la réactivité simples. Ces caractéristiques sont essentielles pour améliorer les performances et la fiabilité d'un réacteur nucléaire lors d'une mission spatiale. Néanmoins, la conception d'un RSF spatial pose d'importants défis techniques, tels que la sélection de matériaux de réacteur présentant une résistance à la corrosion par les sels fondus. D'autres défis importants, nécessitent de traiter les questions de sûreté nucléaire dès les premières étapes de la conception du réacteur, prenant en compte les essais nucléaires, le couplage du réacteur avec les systèmes de conversion d'énergie et les radiateurs, et la fiabilité des composants.L'objectif de cette thèse de doctorat a été de réaliser la conception d'un réacteur PEN utilisant la technologie des RSFs et intégrant dès le début des critères de robustesse du concept, d’amélioration de la sureté au-delà des technologies actuelles et de simplification des essais du réacteur. Le travail a commencé par l'identification des bases de conception et de sûreté applicables à ce réacteur spatial qui guident le processus de conception. Un outil de conception simplifié a été développé. Cet outil a ainsi permis d’explorer des dizaines de milliers de configurations possibles pour ces réacteurs. L'outil de conception a également été utilisé pour optimiser chacune des familles de réacteurs en minimisant la masse du réacteur. Cette analyse a permis d'identifier les quatre concepts les plus prometteurs: deux réacteurs nucléaires à spectre thermique utilisant du combustible HALEU et deux réacteurs rapides utilisant soit du combustible HALEU, soit du combustible HEU.La comparaison des quatre concepts a conduit à la sélection des deux réacteurs à spectre rapide pour des études de conception plus détaillées à l'aide d'un code multi-physique. Cet outil a été construit à partir d’un couplage fort entre les codes OpenFOAM et le code Monte Carlo SERPENT. Au cours de cette thèse, cet outil multi-physique a été amélioré par rapport à sa version originale par l'ajout de nouveaux modèles et de nouvelles méthodes numériques. Les études multi-physiques stationnaires et transitoires de ces réacteurs qui ont été effectuées ont permis d’évaluer la performance de ces deux concepts de réacteurs rapides, de vérifier les solutions proposées pour respecter les limites imposées par rapport au dommage d’irradiation du réflecteur et par rapport aux températures maximales des matériaux. Une nouvelle stratégie complètement passive de contrôle de la réactivité a été proposée et évaluée dans cette thèse. Enfin, des études des différents scénarios accidentels ainsi que de transitoires ont montré un comportement très acceptable du concept.