Conception et optimisation d'un réacteur de type MSFR en sels chlorures et en cycle uranium

Depuis le début des années 2000 et suite à la loi Bataille en France, l’équipe MSFR du LPSC de Grenoble a repris le concept des réacteurs à sels fondus, donnant progressivement forme au Molten Salt Fast Reactor (MSFR) de référence. Ce surrégénérateur de 3GWth utilise des sels à base fluor et le cycle thorium. Dans l’optique de proposer un modèle plus à même d’utiliser les matières disponibles (uranium appauvri et noyaux lourds des combustibles usés), cette thèse porte sur l’étude d’un MSFR en cycle uranium.
Pour s’affranchir d’éventuels problèmes de solubilité des transuraniens (TRU) en sels fluorures, le sel combustible retenu est un mélange eutectique NaCl-appUCl3-(TRU)Cl3. Ce sel étant un moins bon caloporteur et plus transparent aux neutrons que son équivalent du MSFR fluorure de référence, les travaux de thèse ont d’abord porté sur des études du volume optimal de sel combustible, qui a été porté de 18m3 (MSFR de référence) à 45m3 (MSFR-Cl). Un volume de 20m3 se trouve dans le coeur (optimisation neutronique) et 25m3 sont dans les boucles de recirculation contenant les échangeurs de chaleur (optimisation thermique). Pour améliorer le facteur de régénération du réacteur, une couverture fertile radiale est placée autour de la zone centrale. La composition du sel fertile résulte d’une optimisation principalement entre le débit de retraitement et la résistance à la prolifération. Les études de conception effectuées durant la thèse incluent le dimensionnement des protections neutroniques en tenant compte de la circulation des précurseurs de neutrons retardés, et du vase d’expansion dédié à accommoder la dilatation du sel combustible.
Pour tirer un maximum de bénéfices de la forme liquide des sels, le réacteur peut être connecté à une unité de traitement. L’extraction régulière des produits de fission permet ainsi de réduire le terme source et les processus de corrosion tout en améliorant l’économie neutronique, et ce sans besoin d’arrêt du réacteur. Un schéma de principe du traitement envisagé a été conçu durant la thèse en collaboration avec des experts en chimie.
Des calculs neutroniques statiques puis en évolution ont été réalisés avec divers codes neutroniques (MCNP couplé au code d’évolution REM, Serpent2) pour évaluer les performances du système (contre-réactions, bilans massiques). Des études préliminaires de déploiement de ce type de réacteurs ont été menées pour évaluer l’impact de l’insertion du MSFR-Cl dans un parc de REP, en comparaison du MSFR de référence.
Pour finir, et suite aux limites rencontrées avec le MSFR-Cl, un modèle innovant d'incinérateur de petite taille en cycle uranium à couverture fertile thoriée a été étudié, pour proposer un outil de transition du cycle uranium vers le cycle thorium.