Recyclage du Plutonium dans les REP Zone Vidange

Recyclage du Plutonium dans les REP Zone Vidangée 3. 7% UOX Giovanni B. Bruna IRSN - DSR

Sommaire • Recyclage du Plutonium dans les REP 1. Eléments de Conception 2. L’effet de vidange dans les cœurs REP contenant du Plutonium, 3. Recyclage du Plutonium dans les REP : Qualification MCNP.

Le recyclage du Pu dans les REP : une longue expérience • En 1976 la France a introduit le « cycle partiellement fermé » pour : a. Améliorer l’utilisation du combustible, b. Limiter l’accumulation du Pu, c. Concentrer le Pu dans les réacteurs d. Utiliser les grande quantités d’UO 2 appauvri issues du processus d’enrichissement de l’Uranium, e. Réduire la quantité de déchets et leur activité.

Le recyclage du Pu dans les REP : une longue expérience • Aujourd’hui en France: • 28 reacteurs de la filière REP 900 MWe sont « moxables » : - 20 réacteurs sont ou ont été chargés avec du MOX, - 8 réacteurs sont capables de recevoir du MOX.

Le recyclage du Pu dans les REP : une longue expérience • Chargement du MOX dans les cœurs des réacteurs PWR 900 MWe : a. d’assemblages tri-zonés b. 30% d’assemblages MOX à l’équilibre, c. Teneur moyenne de PU de l’ordre de 7, 0%, d. Epuisement atteignant 45. 00 de métal lourd, (objective 50, 000 MWj/tonne).

La Physique du MOX dans les REP 1. Compétition accrue entre combustible, structures et modérateur. Légère augmentation des fuites. a. Temps de vie des neutrons promptes plus court, 2. Absorption epi-thermique accrue, a. Diminution de la probabilité d’échapper aux trappes. 3. Fission thermique plus faible, 4. Fission rapide accrue, a. Meilleur coefficient d’utilisation rapide.

La Physique du MOX dans les REP • Contrôle de la Puissance • Compensation des effets physiques par la conception de l’assemblage FISSION REACTION RATES vs. LETHARGY (Infinite medium calculations)

La Physique du MOX dans les REP • Contrôle de la Puissance • Conception de l'assemblage : schéma d'un assemblage MOX (ancienne version)

La Physique du MOX dans les REP • Contrôle de la Puissance • Conception du Cœur : stratégie typique de rechargement MOX OUT-IN

La Physique du MOX dans les REP Assemblage MOX Crayon faiblement enrichi Crayon moyennement enrichi Crayon fortement enrichi Trou d'eau Assemblage gadolinié Ex : CYCLADES - 12 crayons Gd 2 O 3 Trou d'eau Crayon Gd 2 O 3 à 8 %

La Physique du MOX dans les REP 1. Efficacité des barres de contrôle réduite, 2. b eff et effet Xénon réduits, 3. Perte de réactivité pendant le cycle plus faible (taux de conversion plus élevé) Contribution des familles d’isotopes à la perte de réactivité

La Physique du MOX dans les REP 1. Épuisement - Fertilisation du combustible a. Chaîne des Actinides 242 Cm Possible simplification 243 Cm 244 Cm 32 years - 25 minutes Real process 163 days 16 hours 18, 1 years n - 2 n 241 Am 242 Am 243 Am n Fission products and energy production by fusion ~ 5 hours 13 years 238 Pu 239 Pu 240 Pu 2, 10 days 2, 35 days 241 Pu 33 minutes 237 Np 5, 57 days 235 U 236 U 237 U 23, 5 minutes 238 U 239 U 242 Pu

La Physique du MOX dans les REP 1. Épuisement - Fertilisation du combustible a. Contribution de différentes familles d'Actinides à la variation de réactivité [MOX]

La Physique du MOX dans les REP 1. Épuisement - Fertilisation du combustible 2. Comparaison des pertes de réactivité sur le cycle de différents combustibles * Inférieur à 0. 5

La Physique du MOX dans les REP Effet Xénon à l’équilibre 1500 pcm Efficacité du bore soluble (par ppm) 7 pcm Efficacvité des barres noires (par barre) Efficacité des barres grises (par barre) 600 pcm 450 pcm Doppler Coefficient 3 pcm/K° Modérator coefficient > UOX

La Physique du MOX dans les REP 1. Transitoires affectés par le MOX a. LOCA b. RIA c. Main steam line break (RTV) 2. Ajout de barres de contrôle, 3. Contraintes sur le chargement 4. Modifications des systèmes

L’effet de vidange dans les coeurs REP contenant du Plutonium • Les cœurs contenant du plutonium se comportent de façon différente en transitoire LOCA selon qu’il soient à combustible UOX ou MOX car : - leur coefficient modérateur est différent, - l’effet de vide est très différent (et dépend fortement de la teneur et de l’isotopie du plutonium)

L’effet de vidange dans les coeurs REP contenant du Plutonium • Approche de conception : Limiter la teneur du Plutonium de façon à garantir l’intégrité du système: - Effet du bore soluble, - Effet des conditions de fonctionnement, - Incertitudes.

L’effet de vidange dans les coeurs REP contenant du Plutonium • Sensibilité du cœur REP à la teneur en Plutonium : a. Effet de vide Très forte (5 000 pcm / % Pu)* b. Réactivité Faible ( 600 pcm / % Pu)* c. Eff. Grappes Moyenne d. Eff. Bore soluble Moyenne e. Eff. Des Poisons consommables Moyenne f. Eff. de ‘coeur’ (P, T, . . . ) Faible *Pour une augmentation de 1% de la teneur en Plutonium –RG Pu-

L’effet de vidange dans les coeurs REP contenant du Plutonium • Vidange du cœur : La variation de réactivité en Vidange est le résultat de compensations entre contributions individuelles très nombreuses et de signe opposé : - Le même isotope peut contribuer à la réactivité par plusieurs moyens (absorption, capture et ralentissement), - Chaque composante individuelle est parfois bien plus élevée que la valeur finale de l’effet de vide, - Grande sensibilité des résultats aux données de base et aux méthodes de calcul.

L’effet de vidange dans les coeurs REP contenant du Plutonium • Effet de vide : Effet de vide 0 100 Taux de vide Effet modérateur MOX Réactivité UOX Réactivité variable en fonction de la teneur et de l’isotopie du Plutonium

L’effet de vidange dans les coeurs REP contenant du Plutonium Taux moyen de fission en fonction de la léthargie (assemblage 100% MOX en milieu infini sans fuites) Unités arbitraires Ralentissement élastique de l'oxygène Capture de l'U 238 Fission du Pu 239 Ralentissement inélastique de l'U 238 Région du spectre de fission Région épithermique Capture du Pu 240 Région thermique Léthargie

L’effet de vidange dans les coeurs REP contenant du Plutonium • Sections Efficaces Zone 1/v Pu 240 Fission à seuil U 235, Pu 239 Résonances U 238, Pu 240, … U 238 0. 2 0. 3 1. 0 1. 8 6 60 100 8 E 5 Log E

L’effet de vidange dans les coeurs REP contenant du Plutonium • Sections Efficaces : Absorption

L’effet de vidange dans les coeurs REP contenant du Plutonium • Sections Efficaces : Fission

Études de Vidange Hétérogène (Calculs en M. Inf. ) Vidange homogène Vidange hétérogène

Études de Vidange Hétérogène 1. Vidange homogène: vidange progressive et uniforme du motif, 2. Vidange hétérogène: vidange en “peau de léopard”: certaines régions sont privilégiées par rapport à d’autres. 3. Le taux de vide moyen du motif est identique dans les deux cas, la réactivité est différente.

Études de Vidange Hétérogène 1. La prise en compte des fuites réduit de façon significative la réactivité du calcul homogène, 2. Les fuites affectent beaucoup moins le calcul hétérogène. 3. En conception, les calculs sont toujours effectués en milieu infini sans fuites (pour conservatisme).

Études de Vidange Hétérogène 1. Effet de couplage: a. en vidangeant progressivement, le Kinf de la région vidangée varie, b. l’importance de la région varie en même temps. 2. La réactivité finale du motif dépend du produit de ces deux facteurs.

Études de Vidange Hétérogène 1. Selon le type d’hétérogénéité et de réseau, on observe typiquement des variations de réactivité de l’ordre de: a. + 5000 / +6000 pcm : + 1500 b. - 10000 / - 20000 pcm : 0 c. - 30000 / - 40000 pcm : - 1000 (MOX HE), (MOX M/LE), (UO 2).

Études de Vidange Hétérogène En général, la région centrale contient du MOX, dans ce cas les effets sont légèrement majorés. Vidange homogène Vidange hétérogène

Études de Vidange Hétérogène 1. Benchmark OCDE: 2. Motif 3*3 d’assemblages 10*10 en M. Inf. (pas 1. 26 cm), avec assemblage central MOX d’Enrichiss. : a. HMOX b. MMOX c. LMOX d. (UO 2 14. 40 9. 70 5. 40 3. 35)

Études de Vidange Hétérogène Motif du Benchmark OCDE UO 2 MOX

Études de Vidange Hétérogène 1. Dans le Motif MMOX en eau , les valeurs deux paramètres sont typiquement: 2. Zone Kinf * Imp*. 3. UO 2 1. 3697 0. 88 4. MOX 1. 1447 0. 12 5. Motif 1. 3427 a. *valeurs arrondies

Études de Vidange Hétérogène 1. Dans le Motif MMOX vidangé, les valeurs deux paramètres sont typiquement: 2. Zone Kinf * Imp*. 3. UO 2 1. 3697 0. 96 4. MOX 0. 7738 0. 04 5. Motif 1. 3458 a. *valeurs arrondies

Etudes de Vidange Hétérogène K Inf en Eau Vide 1. UO 2 0* M. Inf 1. 3697* 2. MOX 41900* M. Inf. 1. 1447* 3. Motif + 170* 1. 3427* 0. 7738* 1. 3458* -

Courbe enveloppe Vidange hétérogène Vidange homogène L’effet de vidange dans les coeurs REP contenant du Plutonium

L’effet de vidange dans les coeurs REP contenant du Plutonium • Les principaux problèmes de calcul: a. Hétérogénéité spatiale et énergétique; b. Streaming dans les régions vidangées; c. Autoprotection et dépendance de la température des résonances épi - thermiques: - Pu 39, Pu 41 0, 3 e. V, - Pu 40 1, 0 e. V, - Pu 42 1. 8 e. V; d. Autoprotection mutuelle des résonances.

L’effet de vidange dans les coeurs REP contenant du Plutonium • Les Outils de Calcul en France : a. Données Nucléaires : b. Code de’cellule’: c. Codes de coeur 3 D : CRONOS, SMART, d. Codes Monte – Carlo : JEF 2, APOLLO 2, COCCINELLE, TRIPOLI 4, TRIPOLI 4 MCNP.

L’effet de vidange dans les coeurs REP contenant du Plutonium • La Base de qualification: a. GODIVA b. JEZEBEL c. ERASME S, R, (L) dur, d. EPICURE e. VIPO Pu. U 35, Pu 39, Pu 40, Pu spectre U 38, Pu, U 38,

L’effet de vidange dans les coeurs REP contenant du Plutonium • Le processus de qualification 1/2: • On doit d’abord effectuer une caractérisation très précise du combustible ; • On mesure l’activité par spectrométrie gamma, • Mais les taux de réaction de l’UOX et du MOX son différents [en raison des S. E. ] ; • Il faut donc normaliser : • On fait appel à des traceurs dont les Yelds de fission pour le U et le Pu sont bien connus, • On renormalise les distributions d’activité issues de la spectrométrie gamma ; • Pour passer de la distribution d’activité gamma à la distribution de puissance, on utilise le P/A évalué dans des expériences témoins.

L’effet de vidange dans les coeurs REP contenant du Plutonium • Le processus de qualification 2/2: • Tout ceci laisse facilement comprendre que le processus d’acquisition des mesures est très complexe. • La qualité des mesures dépend donc : • De la fabrication du combustible, • Des techniques expérimentales mises en jeux, • De la qualité et de la représentativité des évaluations en support , • Des évaluations (Yelds) utilisées pendant le processus de reconstitution.

Recyclage du Plutonium dans les REP. Qualification MCNP (EPICURE LE (Low-Enrich) UOX-UOX) Zone Vidangée 3. 7% UOX

Low and High Enrich. UOX-MOX EPICURE MOX 3. 7% UOX Recyclage du Plutonium dans les REP. Qualification MCNP

Recyclage du Plutonium dans les REP. Qualification MCNP (EPICURE LE (Low-Enrich) UOX-UOX)

Recyclage du Plutonium dans les REP. Qualification MCNP (EPICURE LE (Low-Enrich) UOX-UOX)

Recyclage du Plutonium dans les REP. Qualification MCNP (EPICURE LE (Low-Enrich) UOX-UOX)

Recyclage du Plutonium dans les REP. Qualification MCNP (EPICURE LE (Low-Enrich) UOX-UOX, with bubble)

Recyclage du Plutonium dans les REP. Qualification MCNP (EPICURE HE (High-Enrich) UOX-UOX, with bubble)

Recyclage du Plutonium dans les REP. Qualification MCNP (EPICURE UOX-UOX, with bubble) • Tentative d’explication 1/2: • Les différences constatés entre le LE et le HE s’expliquent à la fois par des problèmes • des mesures, • du calcul.

Recyclage du Plutonium dans les REP. Qualification MCNP (EPICURE UOX-UOX, with bubble) • Tentative d’explication 1/2: • Les mesures sont de moins en moins fiables quand l’enrichissement augmente, • En raison de la diminution des taux de réactuon, • De l’imprécision des Yelds • Le calcul perd de précision avec l’augmentation de l’enrichissement • en raison de l’augmentation du poids de la zone des résonances non résolues (qui sont souvent moyennés dans les bibliothèques) ; • or quand l’enrichissement augmente, de plus en plus de neutrons se trouvent dans cette zone d’énergie, qui est traitées de façon moins précise, • Modifications introduites dans les versions successives de MCNP.

L’effet de vidange dans les coeurs REP contenant du Plutonium • CONCLUSION La complexité des problèmes physiques et les difficultés de modélisation comportent: a. Un gros effort sur les données de base et les outils de calcul, b. De larges besoins en termes de qualification, c. Une approche conservatoire au niveau de la conception.