Physique des réacteurs
L’équipe physique des réacteurs du LPSC est impliquée dans les mesures de données nucléaires et l’étude de réacteurs innovants depuis les années 90. Alliant approches expérimentale et numérique et elle a développé une réelle expertise académique qui lui permet aujourd’hui d’étudier une grande diversité de systèmes à diverses échelles. Son activité se décline actuellement autour de mesures de données nucléaires de fission, d’expériences pour validation de modélisations (réacteur maquette et boucle à sels fondus), de modélisation neutronique, d’études multiphysique, de développement d’outils numériques, et d’études technico-économiques pour des scénarios énergétiques.
Au cours des dernières décennies les vertus et services attribués à l’énergie nucléaire ont varié au gré de facteurs politiques, économiques, écologiques, technologiques et ont également été émaillés par des accidents nucléaires marquants, rendant les trajectoires suivies par les pays qui en disposent aussi diverses que changeantes. Si en France la problématique de la gestion des déchets nucléaires à long terme et le vieillissement du parc ont motivé la relance de la recherche française au début des années 90, les considérations de décarbonation de l’énergie, d’optimisation des ressources naturelles, de gestion du plutonium, ou d’indépendance énergétique sont autant de préoccupations qui se sont ajoutées aux enjeux liés à cette énergie. Pour tenter de répondre à ces enjeux des systèmes innovants ont été envisagés, aussi bien que l’amélioration des systèmes existants, et le CNRS, acteur majeur de la recherche française, et plus particulièrement l’IN2P3, s’est fait une place parmi les acteurs historiques du nucléaire pour apporter sa contribution à la recherche amont associée. C’est ainsi que depuis le milieu des années 90, l’équipe physique des réacteurs du LPSC s’implique sur ces recherches par des approches expérimentales et numériques, tout en ayant une forte contribution également dans les enseignements nucléaires.
Ses activités expérimentales principales, avec le support essentiel des services techniques du laboratoire, sont :
- la mesure de données intégrales auprès du réacteur VENUS-F (installation GUINEVERE, maquette d’ADS) pour l’amélioration de la modélisation des systèmes sous-critiques,
- la mesure de données nucléaires de précision en lien avec l’étude de la fission, auprès du spectromètre LOHENGRIN de l’ILL,
- la construction de dispositifs mettant en jeu des sels fluorures liquides en milieu statique ou dynamique (plateforme FEST).
En parallèle, des études numériques multi-physiques complètes de réacteurs existants ou de concepts en développement sont menées, afin de prédire aussi finement que possible leur comportement. En fonction des besoins, le groupe utilise des codes de calcul génériques (e.g., MCNP, SERPENT, DRAGON, OPENFOAM) ou développe ses propres outils (e.g. MURE). En appui aux études systèmes, le groupe contribue au développement d'outils d'études de la physique de l'aval du cycle du combustible à l'échelle d'un parc utilisant différents types de réacteurs. Le groupe porte également des études pluridisciplinaires d'économie de l'énergie focalisée sur l'économie du nucléaire avec une équipe d'économistes grenoblois et avec des géologues du CNRS spécialistes de l'uranium.
Enfin, des travaux sont également menés en neutronique sur le développement d'un algorithme destiné à l'optimisation du transport des neutrons dans la matière, qui trouve des applications concrètes dans la réalisation de sources de neutrons répondant à des critères de spectre définis pour des besoins ciblés (métrologie, radiothérapie,...).
Activités scientifiques
En cours de construction...
- Systèmes et scénarios
Le groupe mène des études multi-physiques complètes de réacteurs existants ou de concepts en développement, afin de prédire aussi finement que possible leur comportement. En fonction des besoins, par exemple pour étudier des réacteurs à eau optimisés pour la haute conversion et/ou le cycle thorium (comme alternative pragmatique aux projets les plus innovants), le groupe utilise des codes de calcul génériques (ex : MCNP, SERPENT, DRAGON, OPENFOAM) ou développe ses propres outils (ex : MURE étendu à SMURE pour interfacer à la fois MCNP et Serpent, code de diffusion NDM et sa version généralisée sNDM, ...). Est notamment étudié l'apport de différentes méthodes de gestion de la réactivité (telle la variation de spectre par ajout d'eau légère dans un coeur refroidi initialement à l'eau lourde) sur les performances de conversion et sur la sûreté de ces réacteurs existants modifiés. Pour les études de conception de coeurs optimisés surtout, des outils de calcul neutronique ont été développés de longue date et sont régulièrement maintenus et utilisés, à commencer par SMURE (Serpent/MCNP Utility for Reactor Evolution). La méthodologie particulière des calculs de coeurs complets a conduit à la mise au point d'une méthode déterministe simplifiée basée sur l'approximation de la diffusion neutronique (sNDM), complément idéal des codes Monte Carlo. Toutes ces méthodes, évidemment couplées à la thermohydraulique, nous ont permis de monter en compétences sur la conception de coeurs et la simulation de transitoires accidentels.
En appui aux études systèmes, le groupe contribue au développement d'outils d'études de la physique de l'aval du cycle du combustible à l'échelle d'un parc utilisant différents types de réacteurs. Le groupe porte également des études interdisciplinaires d'économie de l'énergie focalisée sur l'économie du nucléaire avec une équipe d'économiste Grenoblois et avec des géologues spécialistes de l'uranium du CNRS.
- Physique des réacteurs sous-critiques
Depuis sa création l’équipe s’intéresse aux réacteurs sous-critiques pilotés par accélérateur. Ces systèmes, dont le concept a connu un renouveau sous l’impulsion de C. Rubbia au début des années 90, étaient initialement envisagés pour la transmutation des actinides mineurs dans une stratégie de gestion des déchets nucléaires à long terme. Ils ont motivé une longue série de programmes expérimentaux, notamment autour du défi du monitoring de leur réactivité, réalisés en grande partie au sein de projets européens (MUSE, EUROTRANS-IP, FREYA, MYRTE) et se poursuivant depuis dans des cadres plus restreints en collaboration avec le SCK-CEN.
- Données nucléaires: rendements de fission
Le groupe a défini, puis fait évoluer, son programme de recherche sur les rendements de fission en associant un volet évaluation en complément du programme expérimental principalement à l’ILL en collaboration avec le CEA (Saclay et Cadarache). De telles données sont en effet cruciales pour l’évaluation de plusieurs observables utiles pour la physique des réacteurs et les applications. Par ailleurs, elles revêtent également une importance plus fondamentale concernant l’étude du processus de fission. La recherche de précision et la détermination des corrélations d’incertitudes imposent des contraintes sur les modèles de fission et testent le pouvoir de prédiction de ces derniers. En outre, l’étude des rendements de fission en fonction de leur énergie cinétique donne une information indirecte sur les distributions en spin et en énergie d’excitation disponible lors de la scission, observable clé dans l’évaluation des données nucléaires.
Les travaux effectués concernent notamment les mesures de rendements en masse, en charge, en isomères issus de la fission induite par neutrons thermiques (principalement la région contenant les 233,235U, 239,241Pu, 241Am, 245Cm, 251Cf) avec un focus particulier dans la région des fragments lourds et symétriques, cette dernière étant souvent peu fournie en données expérimentales. Nous avons mis au point un protocole complet de mesures et d’analyses, qui inclut notamment l’évaluation des corrections systématiques et des biais de l’instrument, ainsi que des matrices de variance-covariance expérimentales. Cette méthode d’analyse fournit en outre des rendements auto-normalisés, indépendants de toutes mesures ou évaluations extérieures.
- Multiphysique Expérimentale et Numérique
- Neutronique appliquée
Membres de l'équipe
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Thèses
Thèses en cours
- Martin Marone (2022-2025): Modélisation multiphysique de la production, du transport et de la séparation des produits de fission présents dans le sel combustible d'un réacteur à sels fondus (RSF)
- Jonas Narvaez (2020-2024): Étude numérique et expérimentale du comportement dynamique de la convection naturelle dans des systèmes d'évacuation de la chaleur utilisant des sels fondus
- Mohammad Rababah (2023-2026): Sensibilités des modes de transport neutronique calculées en Monte Carlo
- Francisco Szmandiuk (2023-2026): Développement d'un outil numérique pour la conception de réacteurs nucléaires pour la propulsion spatiale électrique
- Adrien Vieville (2023-2026) : Caractérisation d'une ligne de temps de vol pour l'étude des produits de fission symétrique auprès du spectromètre LOHENGRIN de l'ILL
Thèses soutenues
Enseignement
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Publications
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