energie nucléaire pour le futur – physique et chimie frédérico garrido & co. centre de...
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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
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