Recyclage du Plutonium dans les REP

1. Recyclage du Plutonium dans les REP Zone Vidangée 3.7% UOX Giovanni B. Bruna IRSN - DSR

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

3. Le recyclage du Pu dans les REP : une longue expérience • En 1976 la France a introduit le « cycle partiellement  fermé » pour : • Améliorer l’utilisation du combustible, • Limiter l’accumulation du Pu, • Concentrer le Pu dans les réacteurs • Utiliser les grande quantités d’UO2 appauvri issues du processus d’enrichissement de l’Uranium, • Réduire la quantité de déchets et leur activité.

4. 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.

5. Le recyclage du Pu dans les REP : une longue expérience • Chargement du MOX dans les cœurs des réacteurs PWR 900 MWe : • d’assemblages tri-zonés • 30% d’assemblages MOX à l’équilibre, • Teneur moyenne de PU de l’ordre de 7,0%, • Epuisement atteignant 45.00 de métal lourd, (objective 50,000 MWj/tonne).

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

7. 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)

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

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

10. La Physique du MOX dans les REP Assemblage MOX Assemblage gadolinié Ex : CYCLADES - 12 crayons Gd2O3 Crayon faiblement enrichi Crayon moyennement enrichi Trou d'eau Crayon Gd2O3à 8 % Crayon fortement enrichi Trou d'eau

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

12. 242Cm 243Cm 244Cm 32 years Possible simplification  - 25 minutes Real process 163 days 16 hours 18,1 years n - 2n 241Am 242Am 243Am n   ~ 5 hours Fission products and energy production by fusion 13 years  238Pu 239Pu 240Pu 241Pu 242Pu 2,10 days 2,35 days 33 minutes 237Np 5,57 days 23,5 minutes 235U 236U 237U 238U 239U La Physique du MOX dans les REP • Épuisement - Fertilisation du combustible • Chaîne des Actinides

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

14. La Physique du MOX dans les REP • Épuisement - Fertilisation du combustible • Comparaison des pertes de réactivité sur le cycle de différents combustibles * Inférieur à 0.5

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

16. La Physique du MOX dans les REP • Transitoires affectés par le MOX • LOCA • RIA • Main steam line break (RTV) • Ajout de barres de contrôle, • Contraintes sur le chargement • Modifications des systèmes

17. 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)

18. 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.

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

20. L’effet de vidange dans les coeurs REP contenant du Plutonium • Vidange du cœur : La variation de réactivité en Vidange est le résultat de compensationsentre 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.

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

22. 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 élastiquede l'oxygène Capture de l'U238 Fission du Pu239 Ralentissement inélastique de l'U238 Région du spectre de fission Régionthermique Région épi-thermique Capturedu Pu240 Léthargie

23. L’effet de vidange dans les coeurs REP contenant du Plutonium • Sections Efficaces Zone 1/v Pu240 Fission à seuil U235, Pu239 Résonances U238, Pu240, … U238 Log E 0.2 6 8E5 0.3 1.0 1.8 60 100

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

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

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

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

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

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

30. Études de Vidange Hétérogène • Selon le type d’hétérogénéité et de réseau, on observe typiquement des variations de réactivité de l’ordre de: • + 5000 / +6000 pcm : + 1500 (MOX HE), • - 10000 / - 20000 pcm : 0 (MOX M/LE), • - 30000 / - 40000 pcm : - 1000 (UO2).

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

32. Études de Vidange Hétérogène • Benchmark OCDE: • Motif 3*3 d’assemblages 10*10 en M. Inf. (pas 1.26 cm), avec assemblage central MOX d’Enrichiss.: • HMOX 14.40 • MMOX 9.70 • LMOX 5.40 • (UO2 3.35)

33. Études de Vidange Hétérogène Motif du Benchmark OCDE UO2 MOX

34. Études de Vidange Hétérogène • Dans le Motif MMOX en eau , les valeurs des deux paramètres sont typiquement: • Zone Kinf * Imp*. • UO21.3697 0.88 • MOX 1.1447 0.12 • Motif1.3427 • *valeurs arrondies

35. Études de Vidange Hétérogène • Dans le Motif MMOX vidangé, les valeurs des deux paramètres sont typiquement: • Zone Kinf * Imp*. • UO21.3697 0.96 • MOX0.7738 0.04 • Motif1.3458 • *valeurs arrondies

36. Etudes de Vidange Hétérogène K Inf en Eau Vide • UO2 M. Inf 1.3697* 0* • MOX M. Inf. 1.1447* 0.7738* -41900* • Motif 1.3427* 1.3458* + 170* • *valeurs arrondies

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

38. L’effet de vidange dans les coeurs REP contenant du Plutonium • Les principaux problèmes de calcul: • Hétérogénéité spatiale et énergétique; • Streaming dans les régions vidangées; • Autoprotection et dépendance de la température des résonances épi - thermiques: • Pu39, Pu41 0,3 eV, • Pu40 1,0 eV, • Pu 42 1.8 eV; • Autoprotection mutuelle des résonances.

39. L’effet de vidange dans les coeurs REP contenant du Plutonium • Les Outils de Calcul en France : • Données Nucléaires : JEF2, • Code de’cellule’: APOLLO2, • Codes de coeur 3D : COCCINELLE, CRONOS, SMART, • Codes Monte – Carlo : TRIPOLI4, MCNP.

40. L’effet de vidange dans les coeurs REP contenant du Plutonium • La Base de qualification: • GODIVA U35, • JEZEBEL Pu39, Pu40, • ERASME S, R, (L) Pu spectre dur, • EPICURE U38, Pu, • VIPO U38, Pu.

41. 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.

42. 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.

43. Recyclage du Plutonium dans les REP. Qualification MCNP(EPICURE LE (Low-Enrich) UOX-UOX) Zone Vidangée 3.7% UOX

44. Low and High Enrich. UOX-MOX EPICURE Recyclage du Plutonium dans les REP. Qualification MCNP MOX 3.7% UOX

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

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

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

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

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

50. 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.