Soutenance de thèse de Barbara FORNO

Historiquement, le principal objectif de la conception des réacteurs nucléaires était l’optimisation et la maximisation de l’énergie fournie au réseau électrique. En général, les centrales nucléaires sont utilisées pour un fonctionnement en base tandis que d'autres sources (gaz, hydroélectricité, charbon) sont utilisées pour absorber les fluctuations de la demande du réseau. Cependant, le mix énergétique actuel intègre de plus en plus d'énergies renouvelables non pilotables. Par conséquent, les centrales nucléaires pourraient être amenées à adapter leur production à des fluctuations du réseau encore plus importantes. Ce besoin entraîne une complexification de la conception du cœur du réacteur avec la nécessité de plusieurs systèmes actifs pour assurer un contrôle optimisé de la puissance au fil du temps. Cette thèse propose une approche originale à contre-courant dont l'objectif n'est plus l’optimisation de la production électrique, mais la simplification du cœur du réacteur. La motivation est d'évaluer les performances d'un système qui, une fois démarré, fonctionne de manière autonome avec le moins de contrôles actifs possible. La puissance fournie par un tel réacteur n'est pas contrôlée activement mais est déterminée par le comportement passif du cœur. Cependant, l'évolution de la production d'électricité au cours du temps serait toujours connue, ce qui permettrait d'anticiper plus facilement les besoins du réseau par rapport à des sources d'énergie intermittentes. L'objectif est de concevoir un réacteur capable de produire de l'énergie de manière simple et passive. Les performances d'un tel réacteur sont définies et des propositions sont faites pour les améliorer. La méthodologie choisie consiste en une analyse séparée des systèmes du réacteur. L’approche retenue vise à concevoir un système primaire passif. Tout d'abord, le contrôle du système de conversion d'énergie est analysé, afin d'évaluer sa contribution possible au fonctionnement du cœur. Ensuite, un schéma de calcul simplifié a été mis en œuvre pour étudier l'évolution du cœur passif en couplant les champs neutronique et thermo-hydraulique dans un modèle quasi-statique. En effet, un tel cœur passif est défini par les effets de contre-réactions qui contrebalancent la perte de réactivité due à l'épuisement du combustible. Dans la littérature, plusieurs designs de réacteurs sont proposés pour différents objectifs. Les microréacteurs (MMR) se caractérisent par des designs simplifiés et une puissance thermique limitée. D'autre part, les réacteurs de taille industrielle sont optimisés pour les besoins du réseau, mais ils comprennent des systèmes complexes pour le pilotage des opérations. Quatre concepts ont été sélectionnés pour ce travail : les réacteurs à caloducs (HPR), les réacteurs à haute température (HTR), les réacteurs à eau pressurisée (REP) et les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium (RNRNa). Les quatre concepts sont étudiés pour être exploités passivement, ce qui signifie que tous les systèmes de contrôle de la réactivité sont supprimés. L’enrichissement fissile initial est ajusté pour avoir un cœur critique en début de vie, puis le cœur est laissé en évolution passive. Des performances ont été spécifiquement définies pour ces réacteurs, notamment la durée de vie du cœur, le burn-up du combustible en fin de vie et la puissance moyenne en fonctionnement. Les réacteurs étudiés présentent des performances faibles lorsqu'ils sont exploités passivement, ce qui était prévisible puisqu'ils ont été conçus pour être exploités activement. Par conséquent, des modifications du design sont proposées afin d'améliorer leurs performances. En particulier, des efforts sont menés pour réduire la perte de réactivité due à l'épuisement du combustible en insérant dans le cœur des actinides ou des poisons consommables. Les designs améliorés sont finalement comparés aux concepts initiaux et des augmentations significatives de performances sont mises en évidence.

Historically, the main motivation for nuclear reactors design optimisation was the maximisation of energy they can provide to the electrical grid. Generally, in countries with large nuclear power plant fleet, nuclear power plants are used to answer to the base load demand, while other sources (gas, hydropower, coal) are used to absorb fluctuations. However, today’s energy mix is increasingly integrating renewable energy sources that are unable to adjust their power output in response to grid demand. Consequently, it could be expected from nuclear power plants to be able to adapt their output to the fluctuations of production caused by renewable sources. This design approach results in the complexification of core design with the need of several active systems to ensure an optimised control of power over time. This work proposes an original counter current approach which focus is no longer the amount of electricity produced, but the simplification of the reactor core. The motivation is to assess the performance of a system that once started-up operates autonomously with as little active control as possible. The output power of such a reactor is not actively controlled, rather it is determined by the passive operation of the core. However, the evolution of power over time would still be known, making it easier to anticipate the grid needs in comparison with unpredictable energy producers. The objective is to conceive a reactor as a component of the grid, capable of generating energy in a simple and passive way. The performance of such a reactor is defined and propositions will be made in order to improve it. The chosen methodology consists in a separate analysis of the reactor systems. The choice is to focus on the design of a passive primary system. First, the control of the Energy Conversion System is analysed, to assess its possible contribution to the core operation. Then, a simplified computational scheme has been implemented to study the passive core evolution coupling the neutronic and thermal-hydraulic fields in a quasi-static model. Indeed, such a passive core is defined by the reactivity feedback effects that counterbalance the reactivity loss due to fuel depletion. This coupling is necessary to compute the power evolution. In the literature, several reactor designs are proposed for different objectives. The Micro Modular Reactors (MMR) are characterised by simplified designs and enhanced passive characteristics, but limited thermal power. On the other hand, the industrial-scale reactors are optimised for large power production adapted to the grid necessities, but they include complex systems for the operation control. This work is based on the analysis of the existing designs. Among these reactors, four concepts were selected for the scope of this work: the Heat Pipe Reactor (HPR), the High Temperature Reactor (HTR), the Pressurized Water Reactor (PWR) and the Sodium-cooled Fast Reactor (SFR). The four designs are studied to be passively operated, which means that all reactivity control systems are removed. The initial fissile enrichment is set to have a null reactivity at the beginning of life, then the core is left to evolve passively. Performance have been specifically defined for such reactors, including core lifetime, fuel burn-up at the end of life and mean power in operation. The studied reactors firstly show poor performance when passively operated, which was expected as they were designed to be actively operated. Therefore, modifications to the designs are proposed to increase their performance. Particular attempt is done to reduce the reactivity loss due to fuel depletion, made by the insertion in the core of actinides or burnable poisons. The improved designs are finally compared to the initial ones and significant performance increases are highlighted in terms of higher energy produced, longer core lifetimes and higher burn-ups at the end of life.