HCERES 8 9 janvier 2020 Equipe MSFR Le

HCERES 8 -9 janvier 2020 Equipe MSFR Le MSFR – Molten Salt Fast Reactor Bilan 2015 -2019 et perspectives Power [GW/m 3] 1 Elsa Merle Suivi de charge du MSFR Fuel T [K] 1110 Small Modular Reactor 0 890 @ A. Laureau

Composition de l’équipe MSFR 2 permanents : • Daniel HEUER (DR 1 – départ à la retraite obligatoire fin 2021) • Elsa MERLE (PR 1 – Grenoble INP/PHELMA) 1 bénévole : • Michel ALLIBERT (DR retraité) : expert en physico-chimie 3 doctorants : • Thibault LE MEUTE : Modélisation d’un scénario d’insertion de réactivité dans un réacteur à sels fondus de génération IV - Co-financement 1/3 équipe (ressources propres) et 2/3 CEA Cadarache • Johann MARTINET : Mise au point et optimisation de SMR innovants de quatrième génération - Co-financement Framatome et IDEX Université Grenoble Alpes • Laura MESTHIVIERS : Étude de la capacité de conversion des actinides dans un Réacteur à Sels Fondus - Co-financement ORANO et CNRS 2 thèses soutenues depuis 2015 : • Delphine GERARDIN (2018) : Développement d'outils numériques et réalisation d'études pour le pilotage et la sûreté du réacteur à sels fondus • Axel LAUREAU (2015) : Développement de modèles neutroniques pour le couplage thermohydraulique du MSFR et le calcul de paramètres cinétiques effectifs Equipe MSFR HCERES– 08/01/2020 2

Concept de réacteur nucléaire à combustible liquide Caractéristiques techniques : • • • Refroidissement assuré par le combustible en circulation Liquide sélectionné : sel fondu fluorure (Li. F) ou chlorure (Na. Cl) Haute température (600 -700°C) = rendement élevé Réacteur compact et géométrie du cœur simple Utilisation : production d’électricité, incinération des déchets, production de chaleur industrielle… – Sûreté Optimisation neutronique des RSF – Durabilité (critères dits ‘réacteurs Gen 4’) : – Déploiement 2008 : Sélection officielle par le GIF du concept de RSF innovant basé sur un spectre rapide de neutrons et un cycle du combustible au Thorium, développé par le LPSC et baptisé MSFR (Molten Salt Fast Reactor) Equipe MSFR HCERES– 08/01/2020 3

Concept de réacteur nucléaire à combustible liquide Caractéristiques techniques : • • • Refroidissement assuré par le combustible en circulation Liquide sélectionné : sel fondu fluorure (Li. F) ou chlorure (Na. Cl) Haute température (600 -700°C) = rendement élevé Réacteur compact et géométrie du cœur simple Utilisation : production d’électricité, incinération des déchets, production de chaleur industrielle… Caractère innovant par rapport aux réacteurs à combustible solide : - Conception et fonctionnement souple du réacteur au niveau de la composition du combustible, de la flexibilité de pilotage (suivi de charge), du niveau de puissance - Pas de fabrication du combustible (gaine, assemblage) : réduction du coût, facilité pour ajouter les déchets (actinides) produits actuellement dans le combustible pour les incinérer - Suppression de la plupart des initiateurs d’accident et de risque de sur-accident + tous les coefficients de sûreté excellents : réacteur à haut niveau de sûreté intrinsèque Equipe MSFR HCERES– 08/01/2020 4

Activités scientifiques : domaines et cadres de recherche Activités de recherche : simulation / sûreté / design • Simulations en neutronique et physique des réacteurs : calculs Monte. Carlo neutroniques évoluants sous contraintes (code REM de l’équipe MSFR), calculs multiphysiques (code TFM-Open. FOAM de l’équipe MSFR), code système (code Li. Core de l’équipe MSFR couplé à la plateforme ALICES de CORYS) • Analyses de sûreté des réacteurs à sels fondus • Etudes de design du cœur et de résistance à la prolifération Sujets d’études : 2 versions du réacteur à sels fondus MSFR • MSFR ‘de référence’ : Puissance élevée 3 GWth – Cycle du combustible Th – But = identifier les limites du concept + définir les configurations acceptables • Small-MSFR : Small Modular Reactor, réacteur à sels fondus modulaire de puissance réduite, dans un cadre de collaboration industrielle – But = étude de faisabilité – Concept simplifié + cycle U/Pu connu ou incinérateur de déchets Cadre : • Expertise multi-disciplinaire (physique des réacteurs, chimie, sûreté, matériaux…) • Collaborations dans un cadre national (CNRS, Universités, Framatome, CEA, ORANO, IRSN, EDF) / européen : projets Euratom SAMOFAR (responsabilité WP 1) et SAMOSAFER (responsabilité WP 6) /mondial (forum GIF, AIEA) Equipe MSFR HCERES– 08/01/2020 5

Activités de recherche : analyses de transitoires et outils de simulation associés (1) - Objectif : simuler et étudier les transitoires de réacteur à sels fondus, i. e. ses changements d’états de fonctionnement normaux (suivi de charge, démarrage…) ou anormaux (insertion de réactivité, sur-refroidissement…) - Spécificités : combustible liquide turbulent en cœur et circulant hors cœur (neutrons retardés), combustible = caloporteur, pas de barre de contrôle en cœur… Développement d’un outil numérique de couplages multi-physiques, le modèle neutronique TFM (Transient Fission Matrix) couplé à Open. FOAM, et application aux calculs de transitoires (fonctionnement normal et accidentel) du MSFR : cf thèse d’Axel Laureau (2015) et projets européens SAMOFAR et SAMOSAFER Equipe MSFR HCERES– 08/01/2020 6

Activités de recherche : analyses de transitoires et outils de simulation associés (1) - Objectif : simuler et étudier les transitoires de réacteur à sels fondus, i. e. ses changements d’états de fonctionnement normaux (suivi de charge, démarrage…) ou anormaux (insertion de réactivité, sur-refroidissement…) - Spécificités : combustible liquide turbulent en cœur et circulant hors cœur (neutrons retardés), combustible = caloporteur, pas de barre de contrôle en cœur… Développement d’un outil numérique de couplages multi-physiques, le modèle neutronique TFM (Transient Fission Matrix) couplé à Open. FOAM, et application aux calculs de transitoires (fonctionnement normal et accidentel) du MSFR : cf thèse d’Axel Laureau (2015) et projets européens SAMOFAR et SAMOSAFER Accident de sur-refroidissement dans le MSFR simulé avec le code TFM-OF (@ A. Laureau) Equipe MSFR HCERES– 08/01/2020 7

Activités de recherche : analyses de transitoires et outils de simulation associés (2) - Objectif : simuler et étudier les transitoires de réacteur à sels fondus, i. e. ses changements d’états de fonctionnement normaux (suivi de charge, démarrage…) ou anormaux (insertion de réactivité, sur-refroidissement…) - Spécificités : combustible liquide turbulent en cœur et circulant hors cœur (neutrons retardés), combustible = caloporteur, pas de barre de contrôle en cœur… Développement d’un simulateur de pilotage du réacteur (code système), études paramétriques de design Collaboration avec l’entreprise CORYS, leader mondial de simulateur dynamique de centrales nucléaires autour du code Li. Core développé par A. Laureau + Développement de méthodes d’optimisation du design par algorithme génétique par D. Heuer Equipe MSFR HCERES– 08/01/2020 8

Activités de recherche : analyses de transitoires et outils de simulation associés (2) Développement d’un simulateur de réacteur (code système) en cours avec CORYS : Equipe MSFR HCERES– 08/01/2020 9

Activités de recherche : analyse de sûreté - Objectif : ne jamais avoir de conséquence sur l’environnement hors site Besoins : respecter les 3 fonctions de sûreté (maîtrise de la réactivité, refroidissement du combustible, confinement des matières radioactives), supprimer à la conception les initiateurs d’accidents, ne pas avoir de risque de sur-accident Maîtriser la réaction en chaîne : – Tous les coefficients de sûreté sont excellents stabilité intrinsèque du cœur – Pas de barres de contrôle (suppression du risque d’éjection) – Traitement du combustible durant le fonctionnement du réacteur : rechargement, vérification et ajustement de la composition du combustible en continu Refroidissement du combustible en toute circonstance : – Possibilité d’étaler le combustible par simple vidange pour refroidissement efficace et passif Confinement des matières radioactives du réacteur : – Pas de pression – Pas de risque de changement d’état du combustible et pas de réaction chimique violente avec l’environnement – Traitement du combustible durant le fonctionnement du réacteur : extraction de certaines matières radioactives (produits de fission) hors du cœur = réduction de l’inventaire radioactif et de la puissance résiduelle du cœur + matières à gérer avec confinement dédié Equipe MSFR HCERES– 08/01/2020 10

Activités de recherche : analyse de sûreté Développement d’une approche de sûreté dédiée aux réacteurs à combustible liquide circulant et analyse de risques du MSFR : cf thèse de Delphine Gérardin (2015 -2018) et projet européen SAMOFAR (2015 -2019) Collaboration avec IRSN/Framatome/POLIMI/EDF : développement d’une méthodologie d’analyse de risques, identification des initiateurs d’accidents, confirmation des avantages en terme de sûreté du MSFR, retours sur design, évaluation des challenges et besoins de recherches liés à la sûreté nucléaire Prochaine étape : projet européen SAMOSAFER (2019 -2023) Thèses de T. Le Meute + nouvelle thèse financée par le projet débutant en 2020 Collaboration avec IPNO / Subatech / CEA / EDF / Framatome Equipe MSFR HCERES– 08/01/2020 11

Projet scientifique : récapitulatif • Nouveau projet européen SAMOSAFER (début 10/2019) : suite des études de sûreté du MSFR de référence en cycle Thorium et sel fluorure (CEA, Framatome, EDF, IRSN + partenaires européens POLITO, POLIMI, KIT, PSI) nouvelle thèse prévue enu 10/2020 es q i r géné: étude du , • Futur projet européen BONSAI (réponse au call 2019) piloté par le CEA s e iqu n u ème n niveau de sûreté des SMR de 4 génération, CNRS en charge du WP MSRacteurs, tio a l u ré sim s e e au d d ve. Martinet s i e • Avec Framatome Lyon : Small-MSFReen sel chlorure et cycle U/Pu (thèse J. e n u d q u o i c Sa hys R d p ( N e C s s o en cours + nouvelle thèse co-financée en 2020 nueou 2021) isp cteprévue rs t du n d u e o t e c e int: lancement réa d’études rangraves (cf thèse den. T. e rd’accidents ge o F p e i a. Le p • Avec le CEA Cadarache t a d u l u q e e a o é p ’ d t l y e em er et me en s 10/2019) d d d c a e s à s r e p l i e u trid Meute débutée s u é s i e o l t t q c A r ô ’ p é ’ r e n a d L ee ion c ad s et exp rgement h t n c u r l o e o d • Avecetl’entreprise : ladéveloppement d’un simulateur de pilotage , év du MSFR rech s e ence CORYS u e l d t d p é n s p o et om R: SFrecherches ojd’incinération em al les capacités …) et tionsur l r • Avec- CORANO des déchets dans un MSR de p s n e a d , a d é n t t r e F RL. S Mesthiviers débutée en 11/2019) ûre utilisant ns (cf thèse inteun sel chlorure o e i t t petite staille de d e a l s r a abo cept l l n ation o o n c c es défi NEEDS (durée de 3 ans) ? • Futur projetucstructurant MSR ddu up de e o c n ssa ea i B u p • Canada : participation invitée à un panel d’experts pour un exercice de sûreté (PIRT) en e é t n Mo MSR sur des -SMR nce a r F en • AIEA : participation aux réunions et à la rédaction d’un TECDOC sur les réacteurs à sels fondus • Forum International Generation 4 : participation au comité de pilotage MSR Equipe MSFR HCERES– 08/01/2020 12

M e d i erc t a e r t o v n o i t n e t

CA CH CN FR IN IT RU TR UK US Programmes 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 Equipes 0 1 - 1 1 1 - - 0 - Start-ups 1 0 0 0 0 1 5 Ø Dans le monde : – Forum International Génération 4 (GIF) : concept de réacteur à combustible liquide ‘MSFR’, porté par le CNRS, sélectionné en 2008 – Agence Internationale de l’Energie Atomique AIEA : Technical Meeting on the Status of Molten Salt Reactors (concertation depuis 2016 des 16 états membres intéressés) ØEn Europe : – Projet Euratom SAMOFAR (Safety Assessment of Molen Salt Fast Reactors) - H 2020 - 2015 -2019 – 3 M€ - 11 partenaires dont CNRS, Framatome, IRSN, EDF, CEA, France en charge de 2 groupes de travail « Integral Safety and Design » et « Safety evaluation of the chemical processes and plant » – Projet Euratom SAMOSAFER (Severe Accident Modeling and Safety Assessment for Fluid-fuel Energy Reactors) - H 2020 - 2019 -2023 – 3, 5 M€ - 14 partenaires dont CNRS, Framatome, IRSN, EDF, CEA, France en charge de 2 groupes de travail « Safety » (CEA/ Framatome) et « Reactor operation » (CNRS) – – – Réacteur de 4ème génération à combustible liquide : Solution très prometteuse pour un nucléaire sûr et flexible- intérêt mondial croissant La France a la meilleure expertise de recherche mondiale avec son projet ‘MSFR’ Innovation de rupture nécessite des moyens humains et des investissements financiers suffisants pour assurer la pérennité du projet, le valider et le concrétiser (programme R&D institutionnel) 14

Production Scientifique - Thème de recherche Avantages d’un combustible liquide (sel fondu) Ø Chaleur déposée directement dans: le caloporteur Ø Irradiation uniforme du combustible (pas de plan de chargement) Ø Pas de fabrication du combustible (pastille / gaine / assemblage) Ø Possibilité de reconfigurer le cœur en quelques minutes – – Configuration optimisée pour la production d’énergie Configuration pour un stockage sous-critique avec refroidissement passif Ø Possibilité de retraiter le combustible sans arrêter le réacteur – – Pas de réserve de réactivité Meilleure gestion des produits de fission neutrophages Optimisation neutronique des RSF – Sûreté (critères dits ‘réacteurs Gen 4’) : – Durabilité – Déploiement 2008: Sélection officielle par le GIF du concept de RSF innovant basé sur un spectre rapide de neutrons et un cycle du combustible au Thorium, développé par le LPSC et baptisé MSFR (Molten Salt Fast Reactor) Equipe MSFR HCERES– 08/01/2020 15

Activités de recherche : analyses de transitoires et outils de simulation associés (2) - Objectif : équilibrage du réseau, indispensable pour permettre l’augmentation de la part des énergies renouvelables - Besoins : souplesse d’utilisation, marges de sûreté, pas de fatigue des systèmes, coût d’investissement réduit pour pouvoir fonctionner à puissance partielle Tcombustible [K] • Chaleur nucléaire déposée directement dans le caloporteur grande souplesse de pilotage du cœur qui suit parfaitement la demande du réseau • Pilotage assuré par la chaleur extraite sans nécessiter de barre de contrôle • Possibilité de débit ajustable du liquide températures moyennes des parois stables durant le suivi donc peu de fatigue thermique • Grande stabilité intrinsèque marges de sûreté respectées Equipe MSFR HCERES– 08/01/2020 coeur Puissance [GW/m 3] Echangeur chaleur Suivi de 1 → 3 GW en 10 s @Axel LAUREAU Caractéristiques du réacteur à combustible liquide MSFR : T branche chaude T moyenne coeur T branche froide 16

Discussion session fermée

Production scientifique - Bilan des Publications 2015 -2019 de l’équipe MSFR • 14 (7 sur le MSFR) publications dans revues à comité de lecture + 1 acceptée fin 2019 + 1 article en français (Revue Générale du Nucléaire) • 17 (13 sur le MSFR) actes de conférences + 2 soumis pour 2020 • 3 chapitres d’ouvrage + 1 en cours de rédaction • 7 livrables de projets européens • 3 rapports dont 1 international (NEA) + 1 international en cours de rédaction (TECDOC AIEA) • 2 thèses de doctorat • Editrice associée du European Physical Journal – Nuclear Sciences & Technologies (EPJ-N) en ‘Nuclear Reactor Physics’, membre de l’éditorial board (depuis 2015) • Membre de l’editorial board de l'International Journal of Nuclear Energy Science and Technology – Inderscience (depuis 2006) • Editrice invitée pour le numéro spécial « Molten Salt Reactors » d’European Physic Journal-N (10/2018 -03/2019) • Reviews réguliers d’articles de revue et de conférences internationales (Annals of Nuclear Energy, Nuclear Engineering and Design, conférence ICONE’ 15, conference ICAPP 2019…) Equipe MSFR HCERES– 08/01/2020 18

Visibilité et rayonnement • 6 présentations à des conférences et séminaires (4 et 3) : • • • 2015 : M&C 2015, USA (A. Laureau), ICAPP 2015, France (E. Merle) 2017 : FR 2017, Russie (D. Gérardin), ICAPP 2017, Japon (E. Merle) 2018 : PHYTRA 4, Maroc (D. Gérardin) 2019 : Int Workshop IAEA SMR Vienne (E. Merle), école FJOH Karlsruhe (E. Merle) 15 présentations en séminaires ou ateliers nationaux Webinar series, “Molten Salt Reactors (MSR)”, GIF Education and Training Task Force, Forum International Generation 4 (https: //www. gen 4. org/gif/jcms/c_82831/webinars) (E. Merle) • Présentations invitées devant l’Office Parlementaire et le Comité d'Orientation et de Suivi des recherches pour les SYstèmes Nucléaires (COSSYN) • Diffusion de la science 15 conférences grand public : D. Heuer (Club Mines Paris, Seyssins, Université de Normandie, Assosciences Midi-Pyrénées, Initiative des Étudiants pour l´Échange et la Solidarité, Rencontres Innovations et Sciences des Étudiants de l'ENSTA Paris. Tech, école ECOCLIM 2018, Grenoble Europe Énergie…) • Organisation d’un atelier national annuel sur les réacteurs à sels fondus (RSF) - Lieux : IRSN Fontenay (10/2015), Areva Lyon (02/2017), LPSC Grenoble (10/2018) Equipe MSFR HCERES– 08/01/2020 19

Responsabilités (2015 -2019) Ø National : • Responsable du Master Projet MSFR depuis 2017 • Défi interdisciplinaire NEEDS : porteur du projet French. Team. MSFR • Représentant de l’IN 2 P 3 au sein du groupe programmatique 3 Energies Nucléaires de l’alliance nationale ANCRE • Membre nommée du Comité de Visite de l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (2014 -2018) • En charge d’une expertise pour l’entreprise ORANO (automne 2018) • Montage de collaborations industrielles avec Framatome (thèse co- financée Framatome/IDEX UGA), avec ORANO (thèse co-financée – début 2019) et avec CORYS (co-encadrement de stages) • Co-pilotage des journées scientifiques nationales RSF avec le CEA (2018) • Evaluation HCERES des activités Criticité du Service de Neutronique et Criticité de l’IRSN (octobre 2018) • Expertise régulière de projets ANR, IDEX, Swiss National Science Foundation • Membre de 28 jurys de soutenance de thèse (13 xrapporteur et 5 xprésident) • Membre de 8 jurys de soutenance d’HDR (3 x rapporteur et 5 x présidente) • Direction de 13 doctorants dont 5 sur le MSFR sur la période Equipe MSFR HCERES– 08/01/2020 20

Responsabilités (2015 -2019) Ø Europe : Projets EURATOM – H 2020 • Projet SAMOFAR ”Safety Assessment of Molten Salt Fast Reactor” (2014 -2019) Responsabilité du WP 1 ‘Integral safety approach and system integration ’ • Projet SAMOSAFER “Severe Accident Modeling and Safety Assessment for Fluidfuel Energy Reactors” (2019 -2023) – Responsable Scientifique National du CNRS + représentante du CNRS au governing council + Responsabilité du WP 6 ‘Reactor Operation and Safety Demonstration’ Echanges en cours avec la Turquie (Tubitak/FIGES), sollicités en 2017 en tant qu’experts lors du montage de leur programme national Ø Mondial : Forum International Génération 4 (GIF), Agence Internationale de l’Energie Atomique (AIEA) • Représentants CNRS au comité de pilotage du système MSR du GIF depuis 2008 • Participation invitée comme représentants France au Technical Meeting on the Status of Molten Salt Reactors organisé par l’IAEA en 2016 + contributeurs à la rédaction du TECDOC IAEA ‘MSR’ (2016 -2020) • Participation experte invitée à l’International Workshop on Design and Technology Status of Innovative (non water cooled) SMRs for Near Term Deployment, Agence Internationale de l’Energie Atomique (IAEA), Vienne, Autriche, 2018 • Participation invitée à un panel d’experts en sûreté nucléaire au Canadian Nuclear Laboratories (mars à octobre 2019) Equipe MSFR HCERES– 08/01/2020 21

Responsabilités administratives et d’enseignement • Enseignements : • Enseignement des 2 membres permanents de l’équipe (service de professeur à Grenoble + enseignements en lien avec les scénarios énergétiques et des réacteurs à Nantes/Saint Etienne/Grenoble) + enseignement vacataire des doctorants de l’équipe • Responsable de la filière d’ingénieurs nucléaires de l’école Phelma/Grenoble INP (2009 -2017) • Responsable des masters 2 Energétique Nucléaire et Matériaux pour l’Energie (depuis 2006) • Implications dans la vie de l’Université : • Membre élue du CEVU de Grenoble INP (2015 -2019) • Représentant de l’UGA (Université Grenoble Alpes) dans le collège des experts aux CLI (Comité local d’Information) du département de la Drôme • Membre du comité HDR I-MEP 2 (Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production) de l’Université Grenoble Alpes (depuis 2012) • Membre de l’advisory board de l’école internationale Joined University Accelerator School JUAS et de l’European Scientific Institute ESI à Archamps (depuis 2008) • Membre nommée du conseil de l’UFR Phitem de l’Université Grenoble Alpes, représentante de l’école PHELMA (depuis septembre 2018) • Implications au niveau national : • Membre élue de la section 01 du Co. NRS (membre du bureau) depuis 2016 • Demandes et gestion de supports financiers spécifiques : le domaine de l’électronucléaire ne bénéficie pas de support ANR, nous obtenons des financements locaux (IDEX Grenoble Alpes), industriels et européens Equipe MSFR HCERES– 08/01/2020 22

Evolution à venir de l’équipe MSFR (FTE estimés) • Départ à la retraite fin 2021 du seul permanent CNRS de l’équipe : • Daniel HEUER (DR 1 – départ à la retraite obligatoire en 01/2022 • 1 à 2 nouveaux doctorants à venir en 2020 : • Un financement garanti de thèse dans le cadre du projet SAMOSAFER – Candidat en stage M 2 recruté (Hugo Pitois, élève-ingénieur+M 2 à l’école Phelma/Grenoble INP) • Projet de co-financement de thèse CNRS/Framatome Lyon (1/2 bourse demandée à l’IN 2 P 3) Besoin d’un poste (de préférence CRCN) • Départ à la retraite du membre CNRS de l’équipe fin 2021 • Compétences et expertises de l’équipe reconnues (physique des • réacteurs, sûreté, RSF…) et plus largement rôle leader de la France et du CNRS au niveau national et international Montée en puissance des concepts de RSF dans le monde, évolution d’Astrid en France Beaucoup de collaborations et de projets de recherche en cours de montage, forte sollicitation nationale et internationale, thématique de recherche en plein déploiement et rôle fédérateur / cristallisateur de l’équipe MSFR du LPSC Equipe MSFR HCERES– 08/01/2020 23

Auto analyse du groupe Points forts: • Le concept MSFR conçu et développé par l'équipe est devenu une référence mondiale • L’équipe met au point et dispose de codes de simulation uniques, génériques et donc adaptés à ce type de réacteurs • L’équipe dispose d’une des meilleures expertises au monde de la thématique Opportunités: • De nombreuses collaborations nationales et internationales avec, possiblement, un démonstrateur dans les prochaines années Points faibles: • Taille sous-critique de l'équipe, difficile de tout mener de front Risques: • Départ à la retraite d’un des 2 membres de l‘équipe d’ici 2 ans Equipe MSFR HCERES– 08/01/2020 24