Le cœur RSM à pas hexagonal de référence a été le support de cette étude. Ce cœur offre l’avantage de présenter plusieurs niveaux d’hétérogénéités qui ont été optimisés à partir duFIR
et duCVRpour un combustibleUappPuO2. Le but poursuivi a été de voir en quoi l’introduction
du cycle thorium en RSMpeut améliorer les performances de conversion.
Pour cela nous avons commencé par établir un critère (Cprod) permettant de comparer chaque
concept en terme de rendement de conversion. Ce critère permet d’évaluer la capacité d’un réacteur à transformer (fictivement) son plutonium fissile en 233U. Puis, l’influence du thorium
a été découplée, selon que ce dernier a été introduit en tant que support du plutonium ou dans des zones fertiles spécifiques. Un large panel d’options a été constitué et les effets physiques liés à l’introduction du thorium ont été analysés.
Du point de vue du critère Cprod, les meilleures configurations sont celles à combustible
fissile ThPuO2 et à fertile Uapp. Leur rendement de conversion Puf issile/233U s’élève à 50%.
Cependant, leur besoin en plutonium fissile est un point négatif avec plus que 700 kg/an et par réacteur. À l’opposé, une introduction modérée de thorium, au sein des tranches axiales fertiles par exemple, limite considérablement la dégradation et la consommation du plutonium, pour une production d’233U de l’ordre de 7 kg/TWhé. Le meilleur compromis semble être le
cœur à assemblages fertiles thoriés. La production d’233U y est plus élevée (12 kg/TWhé) et le
rendement de conversion satisfaisant (34%).
Dans un parc de réacteur constitué uniquement de RSM et de REP à combustible UOX, l’économie d’uranium naturel se mesure directement par la fraction deRSMdans le parc. Ainsi, en l’absence de thorium, il est aisé de prédire quelle sera la configuration la plus pertinente pour la gestion des ressources, c’est celle qui minimise la consommation de plutonium. Dans le cas de cœurs à cycles mixtes, il faut tenir compte de deux variables, la consommation de plutonium et la production d’233U, ce qui complexifie le problème. De plus, la lecture des résultats pourra
être modifiée selon les stratégies de recyclages des matières fissiles qui sera sélectionné.
En conclusion, nous avons toutes les cartes en main pour établir un raisonnement et des stratégies de transition vers un parc à l’équilibre basé sur l’utilisation conjointe des cycles ura- nium et thorium. Ces stratégies pourront être établies simplement à partir des bilans matières à l’équilibre obtenus dans ce chapitre.
Chapitre 2. Définition de cœurs sous-modérés à combustible ThPu/Uapp et UappPu/Th
Dans ce chapitre, nous avons commencé par réaliser l’étude d’un cœur RSM le plus simple possible afin d’étudier la physique du combustible ThPuO2 en spectre épithermique, et surtout de
vérifier les ordres de grandeurs des coefficients de réactivité et des paramètres cinétiques.
Ensuite, nous avons sélectionné comme point de départ l’image d’un cœur RSM (RMcellule
= 0.83) hétérogène optimisé pour un combustible UappPuO2. En effet, les caractéristiques de ce
cœur correspondent au domaine d’étude mis en évidence Chapitre III.1. Partant de ce support, nous avons exploré différentes combinaisons et différents niveaux d’hétérogénéité dans le but d’augmenter le FIR. Un critère de comparaison a été déterminé, Cprod afin d’évaluer le "rende-
ment de conversion" Puf issile/233U de chaque cœur indépendamment de son inventaire initial et
de sa longueur de cycle.
La conclusion de ces études est que le cœur parfait n’existe pas. Un compromis sera toujours nécessaire, soit sur la production d’233U, soit sur la consommation de plutonium. Un panel
d’options permet de privilégier telle ou telle performance en fonction des besoins. Seule l’étude du multi-recyclage des matières fissiles, et en particulier de l’233U, pourra permettre de déterminer
Chapitre 3
Évaluation de l’impact du
multi-recyclage de l’
233
U en RSM sur
l’économie des ressources
Le chapitre précédent a mis en évidence deux potentialités opposées apportées par les cœurs RSM afin de réduire le besoin en ressources naturelles : d’un côté la diminution de la consomma- tion de plutonium et de l’autre une production d’233U élevée. Il est difficile de savoir, a
priori, celui qui sera le plus efficace. L’utilisation de thorium accroît la consommation de plu- tonium (dont les inventaires disponibles et la production sont limités) mais le multirecyclage de l’233U permet de réduire le besoin en plutonium par réacteur.
L’objectif de ce chapitre est d’évaluer l’impact du recyclage de l’233U sur les perfor-
mances des RSM et donc sur l’économie des ressources. Pour cela, deux cœurs ont été sélectionnés à partir des résultats du chapitre précédent : le premier pour sa production impor- tante d’233U et le second pour sa consommation modérée de plutonium. Nous allons commencer
par évaluer comment recycler l’uranium issu de l’irradiation du thorium, tout d’abord en substi- tution du plutonium au sein des RSM hétérogènes dans lequel il a été produit, soit au contraire au sein de RSM dédiés, à définir.
Les résultats conduiront à déterminer des stratégies de scénarios de transition à partir des bilans matières cœurs pour déterminer la situation d’équilibre. Ces résultats seront vérifiés par des études de scénarios réalisées avec le code de scénarios COSI6 couplé à CESAR5.
Chapitre 3. Étude du multirecyclage de l’233U en RSM
Les réacteurs RSM étudiés au chapitre précédent ne consomment pas d’uranium naturel. En effet, leur combustible est constitué d’uranium appauvri (issu du processus d’enrichissement de l’uranium) et de plutonium (issu du retraitement de combustibles irradiés). Par conséquent, un réacteur RSM permet une économie directe d’uranium naturel. Il est donc intéressant de chercher à déployer la plus grande fraction de ces types de réacteur dans le parc. Cependant, la masse de plutonium immobilisée en réacteur et le besoin annuel en plutonium constituent des facteurs limitant leur déploiement.
L’utilisation de thorium en combinaison avec l’uranium appauvri et le plutonium permet d’augmenter le FIRéq et de substituer aux noyaux fissiles 239Pu et 241Pu de l’233U, stable et
efficace en spectres thermique et épithermique. Cependant l’utilisation de thorium implique une augmentation de la consommation de plutonium. Les avantages ou les inconvénients apportés par l’introduction de thorium en RSM, conjointement à l’Uappet au plutonium ne peut s’évaluer
que sur le moyen et long terme, en prenant en compte le multi-recyclage de l’233U avec le
plutonium. Deux possibilités sont envisagées. La première consiste à étudier le multi-recyclage de l’233U au sein des RSM hétérogènes qui l’ont produit. La seconde consiste à différencier les
RSM producteurs d’233U et les RSM consommateurs d’233U.
Notation : le vecteur uranium issu de l’irradiation du thorium et composé majoritairement de l’isotope233U sera noté U
tho.