Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de physique de l'énergie et des particules IPEP (Laboratoire de physique des réacteurs et de comportement des systèmes LRS)

Standardisation des outils de calcul pour les ADS et leur application à différents scénarios de transmutation des déchets

Cometto, Marco ; Chawla, Rakesh (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2003 ; no 2714.

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    Summary
    The management of radioactive wastes from the nuclear fuel cycle has become an important issue in the development of future, more sustainable nuclear energy systems. Partitioning and transmutation (P&T) of actinides and some long-lived fission products could reduce the mass and radiotoxicity of highlevel wastes and possibly ease repository licensing requirements. Influenced by political and technological developments, an increasing number of countries employing nuclear power have become interested in P&T technology which involves the development of new types of critical and/or sub-critical reactors and very efficient fuel cycle strategies. The present thesis is closely connected to two P&T related projects of the OECD Nuclear Energy Agency in Paris, a numerical benchmark exercise for an accelerator-driven minor actinides burner and a calculational system study on the role of accelerator-driven systems (ADS) and advanced fast reactors (FR) in advanced nuclear fuel cycles. The author co-coordinated the benchmark exercise and performed the comparative analysis of the different "fuel cycle schemes" investigated in the system study. The benchmark exercise contributed to a greater understanding of the physical phenomena characteristic of the transmutation of actinides in a closed fuel cycle, and allowed to test and improve the tools used for modeling ADSs and corresponding advanced fuel cycles. This work thus effectively led to the development of an efficient and more complete calculational scheme, which has permitted an in-depth and reliable analysis of different transmutation scenarios to be carried out. To quantitatively assess the advantages and drawbacks of transmutation, we considered a limited number of "base" transmutation scenarios which constitute an envelope for various possible transmutation strategies employing fast spectrum systems. We then evaluated, for an equilibrium situation, the main aspects which characterise the different transmutation strategies, such as the nuclear park composition, the mass and toxicity of the waste, the need for natural uranium, the in-pile and out-pile mass inventories and, finally, the fuel cycle requirements. Thus, this study has allowed for the reliable comparison of performances of the three main options in the nuclear waste management, viz. open cycle, recycling of plutonium alone and recycling of all the actinides, as well as an evaluation of the advantages and disadvantages of ADSs in comparison to advanced critical reactors in the management of minor actinides or transuranics. The last part of the dissertation is dedicated to a phase-out study for two schemes employing either ADSs or critical reactors. It has been shown thereby that advanced systems, optimised for an equilibrium fuel composition, can indeed be used to reduce the inventory of transuranics. A comparison of ADS and FR performances has been made in this context, and the relative benefits of transmutation have been quantified in each case taking into consideration, more realistically, the residual mass inventory after the shutdown of all nuclear installations.
    Résumé
    La gestion des déchets radioactifs résultants du cycle du combustible nucléaire est devenue un aspect important afin d'atteindre, dans le futur, les objectifs d'un développement durable dans le domaine énergétique. La séparation et la transmutation (P&T) des actinides et de certains produits de fission à vie longue permettraient de réduire la masse et la radiotoxicité des déchets à haute activité et d'atténuer ainsi les conditions à respecter pour leur stockage. Suite aux récents développements politiques et technologiques, de nombreux pays producteurs d'énergie nucléaire se sont intéressés à la technologie de la séparation et de la transmutation qui nécessite le développement de nouveaux types de réacteurs, critiques ou sous critiques, et la mise en place de stratégies très efficaces pour le cycle du combustible. Ce travail de thèse est étroitement lié à deux projets sur la séparation et la transmutation organisés par l'Agence pour l'Energie Nucléaire (OCDE/AEN): un benchmark numérique sur un réacteur sous critique dédié à l'incinération des actinides mineurs et une étude analytique de système pour définir le rôle des réacteurs avancés à spectre rapide, critiques ou sous critiques, dans des cycles avancés du combustible. L'auteur a coordonné le benchmark et effectué l'analyse comparative des différentes stratégies de transmutation étudiées au cours de l'étude de système. Le benchmark a contribué, d'une part, à améliorer la compréhension des phénomènes physiques caractéristiques de la transmutation des actinides avec un cycle fermé du combustible et a permis, d'autre part, de tester et d'améliorer les outils utilisés pour la modélisation des ADS et des correspondants cycles avancés du combustible. Ce travail a donc mené au développement d'une route de calcul efficace et complète qui a permis, dans la suite de la thèse, une analyse approfondie et fiable de différents scénarios de transmutation. Afin de quantifier les bénéfices et les désavantages de la transmutation, on a étudié un nombre restreint de scénarios de transmutation "de base" qui constituent une enveloppe pour les différentes stratégies de transmutation possibles utilisant des systèmes à spectre rapide. On a ainsi évalué, dans une situation à l'équilibre, les principaux aspects qui caractérisent les différentes stratégies de transmutation, tels que la composition du parc nucléaire, la masse et la toxicité des déchets, le besoin d'uranium naturel, l'inventaire massique du combustible en pile et hors pile et, enfin, les principaux paramètres d'intérêt pour le cycle du combustible. Cette étude a donc permis de comparer fidèlement les performances des trois options principales de gestion des déchets nucléaires, c'est-à-dire cycle ouvert, recyclage du plutonium seul et recyclage de tous les actinides, ainsi que d'évaluer les avantages et les désavantages des ADS par rapport aux réacteurs critiques avancés pour la gestion et l'incinération des actinides mineurs ou des transuraniens. La dernière partie de ce travail de thèse est dédiée à l'étude de "phase out" de l'option nucléaire pour deux schémas utilisant des ADS ou des réacteurs critiques. Cela a permis de vérifier que les systèmes avancés, optimisés pour un fonctionnement en conditions d'équilibre, peuvent être utilisés pour réduire l'inventaire des transuraniens et a permis de comparer les performances des ADS et des RNR dans un scénario de sortie de l'option nucléaire. On a ainsi pu quantifier les avantages réels de l'introduction d'une stratégie de transmutation par rapport au cycle ouvert de référence en tenant compte, de manière plus réaliste, de l'inventaire massique résiduel au moment de l'arrêt de toute installation nucléaire.