Energie Nucléaire pour le Futur – Physique et Chimie

1. Energie Nucléaire pour le Futur –Physique et Chimie Frédérico Garrido & Co. Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse CNRS-IN2P3 & Université Paris-Sud, Orsay Campus, France Colloque d’inauguration LabEx P2IO 11 janvier 2012

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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,g) 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

9. 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 a et g, techniques IBA) IPNO – Groupe PACS

10. Simulation expérimentale des effets de l’irradiation – L’outil faisceaux d’ions MATERIAU NUCLEAIRE DOPAGE Eléments stables Eléments radioactifs IRRADIATION IONIQUE Basse énergie (100 KeV) Grande énergie (100 MeV) • Effets d’irradiation • Fragments de fission • Particules a • Noyaux de recul • Radiolyse Rétention des radionucléides Actinides Produits de fission & He SYNTHESE voie chimique & CARACTERISATION RBS, canalisation, NRA, XRD, TEM Endommagement, diffusion atomique, propriétés physiques et chimiques Réseau national d’accélérateurs pour les Etudes des Matériaux sous IRradiation

11. Matériaux nucléaires • Combustibles • Matrices de transmutation • Matériaux de structure • Matrices spécifiques pour l’entreposage et le stockage

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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,g)59Ni(n,a)56Fe) • Etude des mécanismes de nucléation-croissance de bulles/cavités et formation de dislocations • Paramètres [He]/dpa ; T ; flux Acier 316L 450°C 64 dpa et 7100 appm He CSNSM – Groupe PS (ANR CoIrrHeSim)

16. 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