Simulation and optimization of advanced equilibrium nuclear fuel cycles

Simulation et optimisation de cycles nucléaires avancés à l’équilibre L'énergie nucléaire, caractérisée par de faibles émissions de gaz à effet de serre, peut jouer un rôle crucial dans la lutte contre le changement climatique et le réchauffement planétaire. Cependant, le développement de la production d'énergie nucléaire doit relever plusieurs défis établis comme cadre de référence en R&D par le Forum International Génération IV (GIF), tels que la préservation des ressources naturelles, le maintien d'un prix compétitif de l'énergie et la garantie d'un haut niveau de sûreté nucléaire.La mise en œuvre d'une gestion durable des matières nucléaires est également une priorité et nécessite une compréhension approfondie des mécanismes physiques se produisant dans le cycle du combustible nucléaire. Pour améliorer davantage la gestion des matières nucléaires et des ressources naturelles, des cycles du combustible nucléaire avancés, incluant de nouvelles installations de recyclage et de nouveaux designs de réacteurs, sont à l'étude.Cette thèse introduit le concept de caractérisation de parc nucléaire à l'équilibre, un outil puissant pour analyser les caractéristiques d'un parc nucléaire et optimiser ses performances. L'objectif principal de cette thèse est d'établir un parc nucléaire à l'équilibre, ce qui implique une condition d'état stable sur la durée. En analysant l'état d'équilibre, cette étude vise à fournir des informations sur les avantages potentiels et les performances associés à différentes stratégies de cycle de combustible.Le Département d'Etudes des Réacteurs (DER) au CEA Cadarache, a récemment initié le développement d’un outil de simulation appelé SEPAR pour aider à évaluer ces stratégies avancées. Cet outil permet de modéliser les cycles du combustible nucléaire, en se concentrant spécifiquement sur l'atteinte des conditions d'équilibre. Autrement dit, il vise à atteindre un état où certains matériaux nucléaires comme le combustible nucléaire usé, le plutonium, ou même les actinides mineurs sont stabilisés. SEPAR utilise des réseaux de neurones artificiels pour modéliser la fabrication de combustible neuf et son irradiation dans les réacteurs nucléaires.L'objectif principal de ce travail doctoral est d'approfondir, d'optimiser et d'analyser des méthodologies pour l'étude d’une grande variété de parcs nucléaires à l'équilibre.SEPAR a été utilisé avec succès pour déterminer la configuration d'équilibre de différentes stratégies de cycle de combustible. Cela comprend la combinaison de combustibles UOX, MOX, ERU et MIX pour les réacteurs à eau pressurisée de troisième génération. De nouvelles fonctionnalités du code ont été mises en œuvre pour analyser plus efficacement les configurations d'équilibre identifiées par SEPAR. Les résultats obtenus par SEPAR ont été validés en les comparant au code de scénario nucléaire de référence COSI du CEA, montrant une bonne adéquation.De plus, SEPAR a également été utilisé pour examiner les stratégies de cycle de combustible impliquant l'introduction de réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium. Ces réacteurs ont également été étudiés dans le de la transmutation des actinides mineurs. Des résultats indiquant un combustible usé en état stable et un équilibre isotopique du plutonium et de l'américium dans le combustible ont été obtenus.En outre, l'importance des calculs de scénarios d'équilibre lors de la phase de conception des réacteurs a été soulignée, permettant une rétroaction liée à l'impact potentiel de l'introduction de nouveaux réacteurs dans le parc existant.Les résultats obtenus sur la configuration d'équilibre des cycles du combustible nucléaire avancés confirment que SEPAR peut calculer ces solutions rapidement et précisément, comme démontré par la validation. Cela ouvre la voie à l'application future de SEPAR à de nouveaux concepts de combustibles et réacteurs. La modularité de l’outil SEPAR permet également d’envisager l’intégration de nouveaux critères d’évaluation tels que des estimateurs environnementaux ou économiques.