Multicriteria analysis of operating margins for a molten salt reactor
Analyse multicritère des marges de pilotage d’un réacteur à sel fondu
Résumé
Molten salt reactors (MSR) are Generation IV nuclear reactors, employing at least one salt, liquid at high temperature. MSR refer here to reactors in which the nuclear fuel is dissolved into a salt that, in the same time, is the coolant: the salt is internally heated by the fission chain reaction occurring in the critical zone (the reactor ‘core’). The hot salt is circulated into a heat exchanger, typically transferring heat to an intermediate circuit containing another fissile-free molten salt that delivers it to a power conversion system. The use of liquid fuel presents specificities and potential advantages over solid fuel reactors, that require an adaptation of design, safety, dynamic behavior analysis (short-term control) and nuclear materials management (long-term control) approaches to MSR. A methodology to design preliminarily and define a control strategy for MSR is thus developed in this work. The methodology is then applied to a chloride-salt actinide burner reactor, for the short-term control only. A characterization of the reactor steady states is obtained using a simplified model, R2P2, to define the operating conditions during normal operation. The operating conditions are chosen so that sufficient temperature margins to salt freezing or a limit temperature of structures regarding thermal loading. MOSAICS, a system-scale thermal-hydraulics model coupled to neutron point kinetics is then adapted and used to evaluate normal operation transients and to define their associated regulations. Finally, the reactor behavior in accident conditions is evaluated using MOSAICS. Global sensitivity analyses are eventually carried out to characterize the MSR’s most influential parameters over its dynamic response, in order to propose modifications of the design and the control strategy.
Les réacteurs à sels fondus (RSF) sont des réacteurs nucléaires de Génération IV mettant en œuvre au moins un sel liquide à haute température. On entend ici par RSF un réacteur où le combustible nucléaire est dissous dans un sel et joue également le rôle du caloporteur : la réaction en chaîne de fission génère de la puissance thermique au sein du sel au niveau de la zone critique (« cœur » du réacteur). Le sel chauffé cède sa chaleur par circulation dans un échangeur de chaleur, généralement à un circuit intermédiaire en sel sans matière fissile qui la transfère ensuite à un cycle de conversion d’énergie. Ce combustible liquide présente des spécificités et des potentiels atouts par rapport à un réacteur à combustible solide, qui nécessitent d’adapter aux RSF les approches de conception, sûreté, d’analyse du comportement dynamique et du pilotage (temps court) et de gestion des matières évoluant sous irradiation et/ou radioactives (temps long). Une méthodologie de pré-conception et de définition du pilotage d’un RSF et donc proposée dans cette thèse. La méthodologie est ensuite appliquée à un réacteur à sel chlorure incinérateur d’actinides, uniquement pour le pilotage au temps court. La caractérisation des états d’équilibre du réacteur est obtenue à l’aide d’un modèle simplifié, R2P2, afin de définir les conditions opérationnelles en fonctionnement normal, choisies de façon à respecter des marges en température vis-à-vis de la solidification des sels et du chargement thermique des structures. Un modèle de thermo-hydraulique système couplée à la cinétique neutronique, MOSAICS, est ensuite adapté et utilisé pour évaluer les transitoires de fonctionnement normal et définir les régulations associées à leur pilotage. Enfin, le comportement accidentel du réacteur considéré est évalué avec le modèle MOSAICS. Des analyses de sensibilités globles sont finalement mises en œuvre pour caractériser les paramètres du réacteur à sels fondus les plus influents sur sa réponse dynamique, afin de proposer des retours à la conception et des améliorations de la stratégie de pilotage.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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