Etude de systèmes et scénarios électronucléaires double strate de transmutation des actinides ...

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Etude de systèmes et scénarios électronucléaires double
strate de transmutation des actinides mineurs en ADS
Jean-Baptiste Clavel
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Jean-Baptiste Clavel. Etude de systèmes et scénarios électronucléaires double strate de transmutation
des actinides mineurs en ADS. Physique Nucléaire Théorique [nucl-th]. Ecole des Mines de Nantes,
2012. Français. ￿NNT: 2012EMNA0050￿. ￿tel-00789327￿
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Jean-Baptiste Clavel
Mémoire présenté en vue de l’obtention

du grade de Docteur de l’Ecole des Mines de Nantes
Sous le label de l’Université Nantes Angers Le Mans

Discipline : Constituants élémentaires et physique théorique

Spécialité : Physique nucléaire

Laboratoire : SUBATECH

Soutenue le 30 novembre 2012

École doctorale : Matière, Molécules, Matériaux en Pays de la Loire
Thèse N° 2012 EMNA 0050
Étude de systèmes et scénarios

électronucléaires double strate de

transmutation des actinides mineurs en ADS

JURY

Rapporteurs : M. Gilles BAN, Professeur ENSI Cean, LPC Caen
Mme Annick BILLEBAUD, Directrice de recherche CNRS, LPSC Grenoble

Examinateurs : M. Bernd GRAMBOW, Professeur EM Nantes, SUBATECH Nantes
M. Sylvain DAVID, Chargé de recherche CNRS, IPN Orsay

Invité : M. Claude GARZENNE, Expert sénior de physique du cycle, EDF R&D SINETICS Clamart

Directeur de Thèse : M Philippe EUDES, Professeur Université de Nantes, SUBATECH Nantes

Co-directeur de Thèse : M. Nicolas THIOLLIERE, Chargé de recherche EM Nantes, SUBATECH Nantes
M. Arnaud GUERTIN, Chargé de recherche CNRS, SUBATECH Nantes

Remerciements
En premier lieu, je souhaite remercier Philippe Eudes d’avoir accepté d’être mon directeur
dethèseetd’avoirsuiviaumieuxmonparcoursens’impliquantau-delàdusimplerôleadminis-
tratif qu’il m’avait présenté au début de ma thèse. Je tiens également à remercier les membres
demonjury,AnnickBillebaud,GillesBan,SylvainDavidetClaudeGarzenne,pourleurparti-
cipation, leurs remarques et leurs nombreuses questions, ainsi que Bernd Grambow pour avoir
présidémasoutenance.
Mais, un travail de thèse reflète l’implication de toute une équipe. Mes premières pensées
vontbiensûrversNicolasThiollièredontl’investissementdurantcestroisannéesm’apermisde
mener à bien mon étude. Il m’a non seulement guidé dans mes recherches, mais il a également
été au cœur de nombreuses discutions passionnantes dépassant largement le cadre de ma thèse.
D’ailleurs comment s’appelle...? Je m’excuse au passage auprès d’Agnès, Lola et Alice de
l’avoiraccapareraucoursdesderniersmoisdedoctorat.
Je salue aussi Arnaud Guertin pour m’avoir accompagné en début et fin de thèse malgré
les changements de directions qui ont eu lieux à mi-parcours. Son efficacité pour résoudre les
questions administratives et l’ardeur avec laquelle il s’est appliqué à corriger mon manuscrit,
méritent d’être soulignées. Je remercie donc sincèrement mes deux encadrants scientifiques de
m’avoirpermisdemeneràbienmestravaux.
Je remercie Baptiste dont l’arrivée nous a donné une nouvelle dynamique et de nouvelles
perspectives de travail. Son attention lors des dernières semaines m’a été d’un grand soutient.
J’ai également une pensée particulière pour Anthony, qui même s’il a cru (comme d’autres
d’ailleurs) que mon bureau était une succursale de la cafétéria, m’a permis de me changer un
peulesidéesetm’asurtoutbiendépannélorsdesmésaventuresdesdernièressemaines.Jesuis
d’ailleursdésolépoursonPCetluisouhaiteunboncouragepoursadernièreannéedethèse.
Le reste des membres du groupe ERDRE m’a également encouragé au cours de ces trois
années, chacun à leur manière. Je remercie notamment pour cela Muriel, Amanda, Frédéric,
Lydie,SandrineetZakari.
Mestravauxsontégalementlefruitdesréflexionsetdenombreuxéchangesquionteulieux
i
ii
lors des réunions GEDEPEON et à l’IPN d’Orsay. Parmi ceux que je n’ai pas encore cité, je
remercie notamment Baptiste L, Marc et Xavier pour l’enthousiasme dont ils ont fait preuve
lorsdenosrencontres.
Je ne peux pas oublier les doctorants que j’ai côtoyés au cours de ces trois ans à SUB-
ATECH. Tout d’abord, ceux qui sont déjà docteurs. Ils m’ont accueilli et ont facilité mon inté-
gration dans le laboratoire, mais également dans cette agréable ville de Nantes. J’ai donc une
pensée pour ceux qui m’ont montré la voie et particulièrement pour Thibault dont je ne tien-
drai pas rigueur d’être un supporter stéphanois, pour le toujours très calme Samuel, Tugdual
l’homme au coude bionique et à la queue de cheval, Vincent le musicien en chenillette, le sus-
nomméEricauxtee-shirtstoujourstrèspoétiquesetVan-Minhlekung-fufighter.
Certains arrivés avec moi, m’ont accompagné durant tout mon parcours et m’ont permis de
garder un œil ouvert sur le monde avec l’actualité brulante de ces dernières années. Je garderai
enmémoirelesdiscoursenflamméssurlarévolutiontunisienned’Ahmedetunegrandeadmira-
tionpourlecouraged’Abdul,quiapartagémonbureau.Arriveràgarderlecap,lorsquechaque
jour, les nouvelles de son pays sont de plus en plus graves, demande une force exceptionnelle.
Il n’a, de plus, jamais râlé de voir notre bureau se transformer en café du commerce. Je les
remercie tous les deux, et espère que la fin de leur thèse se finira bien. Un radiochimiste vient
également étoffer la liste. Francis n’a pas totalement réussi à me recruter pour son équipe de
foot,maism’adevancéensoutenantsathèsedeuxsemainesavantmoi.
Ilyaaussiceuxarrivésencoursderoute,notammentDiegoquin’entendraplusmesblagues
demauvaisgoûtsurlesbrésiliens,ladiscrèteDianaetlesdoctorantsdudeuxièmeétageAlexis
et Antoine. Je leur souhaite beaucoup de courage pour leurs rédactions car c’est à leur tour!
Puis, les dernières vagues m’ont permis de connaître Anaïs, Aurélien, Aziz, Benjamin, Benja-
min, Charlotte, Guillaume, Jennifer, et Maxime... je leur souhaite une bonne continuation et de
meneràbienleurtravauxdethèse.
Lors de ces trois années de thèse, j’ai rencontré un grand nombre de personnes au sein du
laboratoire ou à l’extérieur. Je souhaite remercier toutes les filles de l’administration, qui ont
toujoursréponduaveclesourireàtoutesmesquestionsouproblèmes,avecunepetiteattention
particulièrepourmesvoisinesdebureau,StéphanieetSophie.
J’ai aussiune pensée pourles joueursde foot aveclesquels je mesuis défoulé, détendu...et
travaillé mon physique et non la physique. Je ne les énumèrerai pas tous, mais ils se reconnai-
tront.
Il me faut aussi remercier ceux qui sont mes soutiens quelque soit la distance qui nous sé-
pare et le temps qui passe. Je pense à mes amis qui m’accompagnent, m’enrichissent et sont
toujours là lorsque j’ai besoin d’eux. Amis d’enfance, des scouts ou assimilés, de la fac, de
Nantesoud’ailleurs,jevousremerciechaleureusementcaràvotremanièrevousavezcontribué
iii
àcettethèse.
Je ne peux oublier ma famille au sens large qui croit en moi. Ils m’ont encouragé dans mes
choixetm’ontaidéàmeneràbienmonprojet.Unenouvellefois,jeneciteraipastoutlemonde,
maisjemedoisd’avoiruneattentionparticulièrepourmesparentssansquijen’écriraispasses
mots. Je remercie donc ma mère dont la fierté qu’elle a de ses enfants n’a d’égal que l’amour
qu’elle leur porte, et mon père, docteur en sociologie, qui m’a certainement inspiré lorsque j’ai
décidédefaireunethèseetquiavecundévouementsansfaille,aeulafastidieusetâchedecor-
rigermonmanuscrit.J’aiégalementunepenséepourmesdeuxfrèresquichacunàleurmanière
prennentsoindupetitdernier.
Enfin, merci à celle qui est devenu ma femme et qui me supporte au quotidien. Elle a ac-
cepté de s’expatrier à Nantes pour ma thèse. Elle a vécu presque aussi intensément que moi
ces derniers mois et a eu, elle aussi, l’immense bonheur de corriger mon manuscrit. Je ne la
remercieraijamaisassezpoursonsoutient,sajoiedevivre...enrésuméd’êtretellequ’elleest.
Merciàtous...
iv
Table des matières
Remerciements i
Listedesfigures xvi
Listedestableaux xxiii
Listedesabréviations xxv
Introduction 1
1 Contexteénergétiqueetdéfinitions 5
1.1 Contexteénergétiquemondialetfrançais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 Situationénergétiquemondiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.2 Situationénergétiquefrançaise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Notionsfondamentalesdephysiquedesréacteurs . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.1 Fonctionnementd’unréacteurnucléaire . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.2 Coefficientdemultiplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.3 Puissancethermiqueducœurettauxdecombustion . . . . . . . . . . 13
1.2.4 Neutronsretardésetpilotageducœur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.5 Principalesfilièresnucléaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 DéchetsnucléairesenFrance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.1 Déchetsdetrèsfaibleactivité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.2 Déchetsdefaibleactivitéàvielongue . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.3 Déchetsdefaibleetmoyenneactivitéàviecourte . . . . . . . . . . . . 17
1.3.4 Déchetsmoyenneactivitéàvielongue . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.5 Déchetsdehauteactivitéàvielongue . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.6 Radiotoxicité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4 CadrelégislatifdelagestiondesdéchetsnucléairesenFrance . . . . . . . . . 19
1.4.1 Loide1991 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.2 Loide2006 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
v
vi TABLEDESMATIÈRES
2 Transmutationdesactinidesmineursetréacteurssous-critiques 23
2.1 Actinidesmineurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 Transmutationdesactinidesmineurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.1 Étudedessectionsefficacesdesactinidesmineurs . . . . . . . . . . . . 26
2.2.2 Spectreneutroniquepourlatransmutation . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3 Réacteursous-critiquepilotéparaccélérateur-ADS . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.1 Réactiondespallation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.2 Principedefonctionnementd’unADS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.3 Influencedelasourcedeneutrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.4 Histoiredel’ADSetexpériencesencours . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.5 LefuturdémonstrateurindustrieleuropéenEFIT . . . . . . . . . . . . 32
2.3.6 Augmentationdupotentieldetransmutationd’unADS . . . . . . . . . 34
2.3.7 ConceptADSMUST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4 Scénariosélectronucléairesdoublestrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.1 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.2 Scénariosetobservablesretenus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3 Outilsdesimulationetapplicationsauxréacteurssous-critiques 43
3.1 MCNP(X) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1.2 Sourcedeparticules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.3 Basededonnéesetmodèles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2 MURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.1 EquationdeBateman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.2 Principed’évolutiondansMURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2.3 Interfacegraphique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.4 Gestionduk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
eff
3.2.5 Calculcouplédeneutroniqueetdethermo-hydraulique . . . . . . . . . 52
3.3 ACDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.1 Principedefonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.2 Fichierd’entrée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.3 IllustrationdufonctionnementdeACDC . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3.4 ComparaisonMURE-ACDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.4 CodedesimulationdescénarioCLASS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.4.1 Codedesimulationdescénario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.4.2 Principedefonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.4.3 Structureduprogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.5 Calculd’évolutiond’unADS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.5.1 Problématiquedelasourceexterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
TABLEDESMATIÈRES vii
3.5.2 Simulationd’unesphèrehomogène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4 Dimensionnementd’unADSMUSTetcaractérisationdesoncombustible 75
4.1 Introductiondelaméthode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.1.1 Notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.1.2 Gestiondesassemblagesducœursous-critique . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.3 Hypothèsedesimulationd’évolutionducœursous-critique . . . . . . . 77
4.1.4 Présentationsommaireduprotocole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2 Déterminationdufluxdematièreàtransmuter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.3 Caractéristiquespréliminairesdel’ADSMUST . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4 Premiervecteurisotopiqueàl’équilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.5 Dimensionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.5.1 Géométriedesassemblages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.5.2 Sourcedeprotonsetciblesdespallation . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.5.3 Calculdeladensitéducombustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.5.4 Dimensionnementducœursous-critique . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.5.5 Gestionduk aucoursdel’irradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
eff
4.5.6 Ajustementdelamatriceinerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.5.7 ConfigurationsdesADSMUSTàcaloporteursodiumetplomb . . . . 112
4.6 Deuxièmecombustibleàl’équilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.7 Déterminationdelapuissancethermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.7.1 Facteurdeforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.7.2 Calculcouplédeneutroniqueetdethermo-hydraulique . . . . . . . . . 124
4.7.3 Puissancedel’ADSMUSTetfluxneutroniquedanslecœur . . . . . . 131
4.8 Déterminationdel’intensitédufaisceau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.9 Troisièmecombustibleàl’équilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.10 Bilandudimensionnementdesconceptsd’ADSMUST . . . . . . . . . . . . . 147
4.10.1 ADSMUSTàcaloporteurplomb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.10.2 ADSMUSTàcaloporteursodium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.10.3 Axesdetravailàapprofondir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5 Scénariosdoublestrateàl’équilibredetransmutationdesactinidesmineurs 151
5.1 Évolutionsuruncycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.1.1 Descriptiondelasimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.1.2 Uraniumetplutonium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.1.3 Actinidesmineurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.2 Évolutionduk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
eff
5.2.1 Avecassemblagesdecontrôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
5.2.2 Sansassemblagedecontrôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.2.3 Augmentationdelaréactivité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183