Optimization of minor actinides transmutation performances in GEN IV Reactors : fuel cycle and Core aspects
Amelioration des performances de transmutation des actinides mineurs dans les réacteurs de quatrième génération : aspects cycle et coeurs
Résumé
Minor actinides transmutation is a solution written in the 2006 law on nuclear waste management. One option to carry out transmutation is to recover these heavy nuclides during fuel reprocessing and load them again in reactor cores to achieve fission and obtain shorter-lived fission products. However, minor actinides loading in the nuclear fuel cycle leads to penalties on core transient behavior and fuel reprocessing, such as a modification of core feedback coefficients or a higher neutron source and decay heat of the spent fuel.
Following a complete analysis of the transmutation impacts, an optimization methodology of the reactor core taking into account all the fuel cycle and core behavior constraints is developed here. For the heterogeneous mode, where minor actinides are loaded in dedicated targets located at the core periphery, it is shown that the use of light elements to locally moderate the neutron spectrum in the blankets is an optimal solution, even when considering the negative impacts on the fuel cycle.
For the homogeneous mode, where minor actinides are directly mixed with the fuel, it is shown that low void cores with axial heterogeneities are not impacted by minor actinides loading for loss-of-flow transients. It is demonstrated that core design results from a balance between core behavior in loss-of flow transient and reactivity insertion transient. Finally, it is shown that regardless of the minor actinides transmutation mode envisaged, fuel cycle constraints were challenging and requires significant R&D in support.
La transmutation des actinides mineurs est une solution inscrite dans la loi de 2006 sur la gestion des déchets nucléaires à long terme. Une approche possible pour implémenter cette technique consiste à récupérer ces noyaux lourds lors du retraitement du combustible nucléaire et à les recharger dans le cœur d’un réacteur pour les faire fissionner et ainsi obtenir des produits de fission à vie plus courte. Cependant, l’ajout d’actinides mineurs dans le cycle du combustible nucléaire entraine l’apparition de pénalités, tant sur le comportement du réacteur associé que sur les différentes étapes du retraitement. On observe ainsi une modification des coefficients de contre réactions du cœur, ou une augmentation de la puissance résiduelle ou de la source neutron des combustibles irradiés.
Après une analyse exhaustive des impacts de la transmutation, une méthodologie d’optimisation du cœur d’un réacteur est ici développée avec prise en compte de l’ensemble des contraintes liées au cycle du combustible et au fonctionnement du réacteur. Pour le mode hétérogène, dans lequel les actinides mineurs sont chargés dans des assemblages dédiés placés en périphérie du cœur, il est démontré que l’utilisation d’éléments légers pour modérer le spectre dans les cibles est une solution optimale, y compris en tenant compte des impacts négatifs sur le cycle.
Pour le mode homogène, où les actinides mineurs sont directement dilués dans le combustible du cœur, il est démontré que les cœurs à faible vidange présentant des hétérogénéités axiales ne sont que peu impactés par le chargement en actinides mineurs pour les transitoires de type perte de débit. On montre également que le design d’un cœur pour le transmutation doit résulter d’un arbitrage entre les performances pour un transitoire de perte de débit et celles pour un transitoire de type insertion de réactivité. Enfin, il a été démontré que quelle que soit l’approche envisagée, les contraintes liées au cycle présentent des défis que seule une importante R&D dans ce domaine pouvait surmonter.
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