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Fundamentals of reactor physics with a view to the (possible) futures of nuclear energy - 25/11/17

Fondamentaux de physique des réacteurs et application à l'étude des futures possibles de l'énergie nucléaire

Doi : 10.1016/j.crhy.2017.10.004 
Xavier Doligez a, , Sandra Bouneau a, Sylvain David a, Marc Ernoult a, Abdoul-Aziz Zakari-Issoufou a, Nicolas Thiollière b, Adrien Bidaud c, Olivier Méplan c, Alexis Nuttin c, Nicolas Capellan c
a Institut de physique nucléaire d'Orsay, CNRS-IN2P3/Université Paris-Sud, France 
b Subatech Nantes, CNRS-IN2P3/École des mines de Nantes, France 
c Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie, Université Grenoble-Alpes, CNRS/IN2P3, France 

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Abstract

This paper present basic nuclear reactor physics that may help to understand next challenges that nuclear industry have to face in the future. The ones considered in this work are waste production and natural resources consumption. This paper shows that waste and resources are linked by the plutonium status that could be considered as the principal waste or a valuable material that should be saved for a future transition to breeder reactors that could be for instance Sodium-cooled Fast Reactors (SFRs). This kind of reactors does not rely on natural resource supply, as it produces its own fissile material, plutonium-239, after a neutron capture on uranium-238. However, the operation of SFRs needs a huge amount of plutonium that should be produced in current Pressurized Water Reactors (PWRs).

Natural uranium available on earth is expected to allow the operation of the global current fleet until approximately 2100 without major issues. The transition from PWRs to SFRs is then needed if and only if the nuclear industry will face an increase at a global scale during this century. If not, plutonium, the most radiotoxic element produced in PWRs, should be considered as a waste. Consequently, the plutonium status depends on the future evolution of nuclear energy. This paper shows that a status-quo means that plutonium should be considered as the most problematic element that should be handled on a long-term basis. On the other hand, a strong increase in nuclear energy on a global scale would imply that plutonium is a valuable material that would make a transition to SFRs possible.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Résumé

Cet article présente les bases de physique nucléaire et de neutronique permettant d'appréhender deux des principaux enjeux auxquels devra faire face l'énergie nucléaire dans le futur : la production des déchets nucléaires et la consommation des ressources naturelles. Nous montrons que ces deux problématiques sont liées par le statut du plutonium, qui peut être considéré, soit comme le déchet principal, soit comme une matière valorisable qui doit être conservée pour la transition vers des réacteurs régénérateurs comme ceux refroidis au sodium (SFR en anglais). Ce type de réacteur ne dépend pas des ressources naturelles, car il produit sa propre matière fissile, le plutonium 239, après une capture neutronique sur l'uranium 238. Cependant, l'exploitation des SFR nécessite un très grand inventaire de plutonium, qui doit être produit dans les réacteurs actuels comme les réacteurs à eau sous pression (PWR en anglais). L'uranium naturel considéré comme disponible sur terre aujourd'hui devrait permettre le fonctionnement des réacteurs actuels jusque vers 2100. La transition des PWR vers les SFR est nécessaire, si et seulement si le développement de l'industrie nucléaire connaît un développement très important pendant ce siècle. Sinon, le plutonium, l'élément le plus radiotoxique produit dans les REP, doit être considéré comme un déchet. Ainsi, le statut du plutonium dépend de l'évolution future de l'énergie nucléaire. Ce papier montre que la gestion du plutonium, comme élément le plus difficile à gérer sur le long terme, doit être optimisée, puisqu'il est une matière nécessaire à la transition vers les régénérateurs. Nous présentons ici la physique nucléaire essentielle à la compréhension des enjeux essentiels que rencontrera l'énergie nucléaire dans le futur. Ceux considérés sont la production des déchets nucléaire et la consommation des ressources naturelles. Cet article montre qu'ils sont liés par le statut du plutonium, qui peut être considéré, soit comme le déchet principal ou comme une matière utile qui rendrait la transition vers les SFR possible.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Nuclear energy, Waste, Plutonium

Mots-clés : Energie nucléaire, Déchets, Plutonium


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Vol 18 - N° 7-8

P. 372-380 - septembre 2017 Retour au numéro
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