Energie Nucléaire pour le Futur –

Physique et Chimie

Frédérico Garrido & Co.

Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de MasseCNRS-IN2P3 & Université Paris-Sud, Orsay Campus, France

Colloque d’inauguration LabEx P2IO

11 janvier 2012

Forces en présence – Revue d’effectifs

Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse (CNRS-IN2P3-Université Paris-Sud) – 7 personnes

Groupes PCI (Physico-Chimie de l’Irradiation) et PS (Physique des Solides)

Institut de Physique Nucléaire (CNRS-IN2P3-Université Paris-Sud) – 21 personnes

Groupes PACS (Physique de l’Aval du Cycle et de la Spallation) et Radiochimie

IRFU (CEA/DSM) – 4 personnes

SERMA (CEA/DEN) - 5 personnes

Contexte

Accroissement de la demande en énergie – étude scénarios possibles

Nouvelles filières nucléaires: Forum Génération IV Réacteurs de sûreté accrue Minimisation des déchets Optimisation des ressources en matière fissile Non prolifération

Définition et évaluation des nouveaux concepts de réacteurs Données expérimentales Outils de simulation

Contexte

Apport de la communauté Physiciens et Chimistes de P2IO

Etude de systèmes et de scénarios (physique des réacteurs) Physique pour la neutronique et les données nucléaires Conception de nouveaux matériaux, propriétés physico-

chimiques & Radiochimie

Simulation de réacteurs et scénarios associés

Développement de nouveaux outils de simulation des réacteurs nucléaires Etudes précises de systèmes innovants : neutronique, évolution

combustibles, sûreté, production de déchets, flux de matière, aspects techniques et économiques

Prospective énergétique : place du nucléaire, monde énergétique en 2050

Enjeu majeur: développement d’un code de simulation de scénarios détaillés Développement axé sur le code Monte Carlo MURE Codes industriels peu adaptés pour l’exploration voies innovantes

IPNO – Groupe PACS

Simulation de réacteurs et scénarios associés

Développement de nouveaux outils de simulation des réacteurs nucléaires Scénarios étudiés

Réacteurs critiques à combustibles solides (cycles uranium et thorium)

Extensions : ADS, réacteurs à sels fondus, réacteurs génération IV (à haute température refroidis à gaz)

Couplage avec les données nucléaires

IPNO – Groupe PACS

Données nucléaires

Connaissance des sections efficaces des actinides à incinérer & isotopes majeurs des combustibles Sections efficaces de fission et distributions angulaires à n-TOF

Mesurés: natPb, 209Bi, 232Th, 233,235,238U, 237Np, … de 0.7 eV à 1 GeV Etude de la fission de 236U (231Pa à terme)

Sections efficaces de capture 233,234,235,238U, 237Np, 240Pu, 241,243Am

IPNO – Groupe PACS ; IRFU - SPhN

Données nucléaires

Connaissance des sections efficaces des actinides à incinérer & isotopes majeurs des combustibles Etude du processus de fission (SOFIA puis FELISE; NFS)

Mesure distribution en charge et masse des fragments de fission SOFIA: mesure des distributions pour différents An (fragmentation

faisceau 238U dans cible de Pb) Horizon plus lointain FELISE: mesure de l’énergie d’excitation dans

le noyau fissionnant – fission provoquée avec un faisceau d’électrons (mesure de son énergie résiduelle)

Mesures sections efficaces (n,) et densité de niveaux Nécessité pour les calculs de section efficace (s’appuient sur les

modèles de densité de niveaux) Utilisation méthode de substitution: 232Th (3He,p)234Pa 233Pa(n,) Mesures réalisées: 232Th, 230Th, 231Pa Mesures prévues avec des cibles de 233U, 235U, et 231Pa

IPNO – Groupe PACS ; IRFU - SPhN

Synthèse de couches minces radioactives

Laboratoire de synthèse et de caractérisation de couches minces radioactives Chimie des Actinides et Cibles Radioactives à Orsay (CACAO)

Besoins pour étude des cycles 238U-239Pu et 232Th-233U Production et étude des super-lourds Demandes 230,232Th, 231, 233Pa, 233,234,235,236,238U, 236,237Np, 239,240,241,242,244Pu,

243Am, 242,243,245,246,247,248Cm et 249,252Cf Voies de synthèse

Couches minces sur substrat Evaporation sous vide (évaporateur décontaminable) Électrodéposition Caractérisations (spectrométries et , techniques IBA)

IPNO – Groupe PACS

MATERIAU

NUCLEAIRE

Simulation expérimentale des effets de l’irradiation – L’outil

faisceaux d’ions

IRRADIATION IONIQUE

Basse énergie (100 KeV)Grande énergie (100 MeV)

Effets d’irradiation• Fragments de fission• Particules • Noyaux de recul

Radiolyse

DOPAGE

Eléments stablesEléments radioactifs

Rétention des radionucléides

Actinides Produits de fission & He

SYNTHESEvoie chimique

& CARACTERISATIONRBS, canalisation,

NRA, XRD, TEM

Endommagement, diffusion atomique,propriétés physiques et chimiques

Réseau national d’accélérateurs pour les Etudes des Matériaux sous IRradiation

Matériaux nucléaires

Combustibles Matrices de transmutation Matériaux de structure Matrices spécifiques pour l’entreposage et le stockage

Synthèse de nouveaux combustibles

Combustibles pour la génération IV Cibles pour la production de faisceaux radioactifs

Oxydes et carbures d’uranium et de thorium Conditions de synthèse (masse volumique, taille des grains, pores) Mécanismes de frittage Mécanismes aux interfaces: dissolution des matériaux dopés avec

des produits de fission ou actinides; mécanismes réactionnels Comportement sous irradiation

Combustible Th0.75U0.25O2 dans HNO3 10-3 mol L-1; T = 90°C; 14 jours

IPNO – Groupe Radiochimie

dpa0.1 1 10 100 1000F

ract

ion

of d

isp

lace

d a

tom

s

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0He in UO2

He in ZrO2

Xe in UO2

Xe in ZrO2

Noble gas concentration

0.001 0.01 0.10.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0He in UO2

He in ZrO2

Xe in UO2

Xe in ZrO2

Combustible et matrice de transmutation An – Effets de Sn

Evolution sous irradiation (combustible et matrice inerte) Contribution balistique: défauts d’irradiation, évolution des défauts Contribution chimique: comportement des produits fission et He

CSNSM – Groupe PCI

Nouveaux combustibles

Combustibles liquides Combustible: sels fondus LiF-ThF4 –

fonctions combustible et caloporteur Chimie à base de Th et de U et

traitement pyrochimique du combustible usé

Retraitement en ligne: procédé d’extraction réductrice pour extraire sélectivement les lanthanides Phases : métal liquide (Bi-Th) et sel

fondu

IPNO – Groupe Radiochimie

Matériaux de structure

Comportement des aciers austénitiques composants des internes de cuve de REP Effets de l’irradiation et présence d’impuretés He – co-irradiation

sur JANNuS – Etude du gonflement (58Ni(n,)59Ni(n,)56Fe) Etude des mécanismes de nucléation-croissance de

bulles/cavités et formation de dislocations Paramètres [He]/dpa ; T ; flux

Acier 316L 450°C64 dpa et 7100 appm He

CSNSM – Groupe PS (ANR CoIrrHeSim)

Actions d’Enseignement et Formation

Master international Nuclear Energy Commun Université Paris-Sud, INSTN, ParisTech,

Supelec, Centrale Paris M1 et 5 M2 – 100 étudiants

Decommissioning and Waste Management Fuel Cycle Nuclear Reactor Physics and Engineering Nuclear Plant Design Operations