Soutenance de thèse de Heddy BARALE

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.

Nuclear energy, known for its low-carbon footprint, could play a crucial role in addressing the global issues of climate change and global warming. However, nuclear energy production development has to address several challenges established as a reference R&D framework by the Generation IV International Forum (GIF), such as preserving natural resources, maintaining a competitively price of energy and guaranteeing a high level of nuclear safety. Implementing a sustainable management of nuclear material is also a prerogative and requires in-depth understanding of the physics mechanisms occurring in the nuclear fuel cycle. To further improve nuclear material and natural resources management, advanced nuclear fuel cycles are being studied. These cutting-edge processes would involve the use of innovative recycling plants and new reactor designs to enhance nuclear fuel use and manage nuclear material in a more efficient manner. This doctoral work introduces the concept of nuclear fleet simulation at equilibrium, a powerful tool to analyze the characteristics of a nuclear park and optimize their performance. The main objective of this thesis is to establish a nuclear fleet at equilibrium, which entails a steady state condition that is stable over the time. By analyzing the equilibrium state, this study aims to provide valuable insights into the potential benefits and opportunities associated with different fuel cycle strategies and their implications for future nuclear power development. The Department of Reactor Studies (DER) at CEA Cadarache, has developed a simulation tool named SEPAR to help evaluate these promising advancements. This tool helps in modeling nuclear fuel cycles, focusing specifically on achieving equilibrium conditions. In simpler terms, it aims to reach a state where certain nuclear materials like spent nuclear fuel, plutonium, or even minor actinides are stabilized. SEPAR makes use of artificial neural networks to model fresh fuel fabrication and irradiation in nuclear reactors. The focus of this doctoral work is to further explore, optimize, and analyze methodologies for studying nuclear fleets at equilibrium. This involves simulating a variety of advanced nuclear fuel cycles determining their equilibrium configurations. SEPAR has been successfully utilized to determine the equilibrium configuration of various fuel cycle strategies. This includes the combination of UOX, MOX, ERU, and MIX fuels for GEN III Pressurized Water Reactors. New developments to the code has been implemented to more effectively analyze the equilibrium configurations identified by SEPAR. The results obtained by SEPAR have been successfully validated by comparing them with the CEA reference scenario code COSI. Moreover, SEPAR has also been employed to examine fuel cycle strategies involving the introduction of GEN IV Sodium Fast Reactors. These reactors have been utilized also for the transmutation of Minor Actinides. Results indicating steady-state spent fuel and isotopic equilibrium of plutonium and americium in the fuel have been successfully achieved for the first time. Furthermore, the importance of equilibrium scenario calculations during the design phase of reactors has been highlighted, serving as feedback on the potential impact of introducing certain new reactors to the existing fleet. The obtained outcomes of the equilibrium configuration of advanced nuclear fuel cycles show promise. SEPAR can calculate these solutions promptly and accurately, as demonstrated through validation. This paves the way for the future application of SEPAR to new reactor concepts (like Molten Salt Reactors) or to more advanced fuel cycle strategies, such as the transmutation of Neptunium and Curium in fast reactor or the modeling of new types of fuel. The established capability to integrate new estimations and modules into SEPAR offers an advantage for future estimators such as environmental and economic ones.