Description du sujet de thèse

Contributions au design et à l'évaluation de sûreté et des performances d'un réacteur à sels fondus de type convertisseur d'actinides.
Les réacteurs nucléaires à sels fondus (RSF) ont un très grand potentiel en termes de sûreté et de flexibilité. Il s'agit de réacteurs dont le combustible est dissous dans un mélange de sels fondus (liquide), jouant le rôle de caloporteur. Le sel circule dans le circuit combustible au travers d'une zone appelée « cœur » où il est rendu critique par géométrie, produisant ainsi de la chaleur, qu'il restitue en traversant un échangeur de chaleur, permettant ainsi de valoriser l'énergie produite, soit sous forme de chaleur (rôle calogène), soit sous forme d'électricité (rôle électrogène). Ce type de réacteur se caractérise par son comportement intrinsèquement stable, et sa versatilité (choix du cycle, choix du spectre neutronique, choix du sel, etc.) et donc la polyvalence de ses applications (réacteur électrogène sur une gamme allant de la petite à la très grosse puissance, incinérateur de déchets à forte activité et à vie longue par transmutation, etc.). Ces qualités étant recherchées dans le contexte nucléaire actuel, il suscite un fort regain d'intérêt en France, en Europe et dans le monde. Depuis une vingtaine d'années, le CNRS au travers de l'équipe MSFR (Molten Salt Fast Reactor) du LPSC (Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie) étudie ce type de réacteur sous diverses déclinaisons et notamment la version dite MSFR de référence, réacteur régénérateur de puissance élevée fonctionnant en cycle Thorium et avec un sel fluorure. L'équipe SEN (Structure et Energie nucléaire) de SUBATECH (laboratoire de Physique SUBAtomique et TECHnologies Associées) a rejoint cette thématique depuis quelques années avec un intérêt particulier pour les aspects de modélisation neutronique et calculs associés de puissance résiduelle.
Compte tenu du net regain d'intérêt pour cette technologie prometteuse, de nouvelles collaborations se sont mises en place, et de nouvelles études sont en cours avec notamment celles autour de concepts RSF en sels chlorures convertisseur d'actinides parmi lesquels le réacteur ARAMIS (Advanced Reactor for Actinides Management in Salt) porté par le CEA et étudié dans le cadre du projet national ISAC (Innovative System for Actinides Conversion) qui a débuté au premier semestre 2022 et dont les partenaires sont : le CEA, le CNRS, EDF, FRAMATOME et ORANO. Le projet ISAC vise à étudier la capacité d'une technologie de rupture, ici les RSF, à diminuer l'inventaire des actinides issus du parc existant via la transmutation des actinides mineurs, et ce en réalisant une étude d'esquisse (évaluation des options de conception, performances du concept, analyse de fonctionnement et de sûreté) et en lui associant des premières expérimentations à petite échelle sur les principaux verrous de cette filière : la chimie des sels, le traitement/recyclage, la prévention de la corrosion appliquée aux matériaux constitutifs du circuit primaire. Des études de scénarios seront associées afin d'évaluer l'impact final sur l'inventaire et le type de déchets à stocker selon différentes hypothèses.
Le sujet de thèse proposé ici contribuera tout d'abord à la définition de l'esquisse du réacteur en collaboration avec les différents partenaires du consortium, via les études de neutronique du réacteur ARAMIS. La thèse portera sur le calcul des performances du cœur et du cycle, sur les sensibilités aux données nucléaires, ainsi que sur l'étude de la puissance résiduelle. D'autres études en lien avec les études sûreté porteront sur une participation à l'analyse de risques en collaboration avec EDF et Framatome. La thèse, portée par les deux laboratoires LPSC et SUBATECH, se déroulera à 50% à Nantes à SUBATECH puis à 50% à Grenoble au LPSC.
Les études neutroniques seront réalisées avec le code d'évolution SERPENT pour la caractérisation du cœur en tenant compte du schéma de traitement en ligne du combustible pour le concept défini. Des développements du code SERPENT, spécifiques pour la technologie des RSF (contrainte sur la réactivité et/ou de la composition du combustible lors de l'évolution) sont actuellement en cours au laboratoire SUBATECH et la personne recrutée y contribuera. Les résultats de ces études seront également comparés à ceux obtenus avec le code REM développé à Grenoble depuis plus de 20 ans et qui est actuellement le code d'évolution de référence pour les concepts RSF. Les études de sensibilité aux données nucléaires seront réalisées avec les codes Coconust et Cocodrilo développés à SUBATECH et au LPSC. Un travail sur les besoins d'amélioration des données nucléaires liées à la puissance résiduelle sera réalisé dans le cadre de la thèse. La personne recrutée pourra être amené à utiliser les codes multiphysiques couplés développés au LPSC pour le calcul de transitoires normaux et accidentels de RSF, notamment le code couplé 3D TFM-OpenFOAM et le code système LiCore. Enfin une partie du travail de thèse portera sur une participation à l'analyse de sûreté du réacteur et plus spécifiquement sur les risques liés à l'utilisation d'américium comme combustible.
Enfin, les laboratoires du LPSC et de SUBATECH collaborent dans les projets européens SAMOSAFER (Simulation Models and Safety Assessment for Fluid‐fuel Energy Reactors) et MIMOSA (MultI-recycling strategies of LWR SNF focusing on MOlten SAlt technology), et la personne recrutée aura l'occasion de présenter ses travaux dans ces cadres européens et également de contribuer aux groupes de travail de ces projets en lien avec le sujet de thèse.
La personne recrutée devra être titulaire d'un Master en physique nucléaire ou physique des réacteurs ou équivalent. La personne recrutée devra :
•Avoir de bonnes notions de physique des réacteurs (neutronique, thermohydraulique, sûreté…)
•Avoir de bonnes notions d'utilisation d'un code neutronique évoluant traitant le couplage des équations de Boltzmann (transport des neutrons) et de Bateman (évolution des matériaux)
•Etre capable de travailler en équipe dans le cadre de collaborations très variées
•Etre habitué à développer du code informatique, notamment en langage Python et Java
•Maîtriser une production importante de données
•Maîtriser le français et l'anglais scientifique, lu, parlé et écrit
•Etre rigoureux : savoir rendre compte, respect des échéances

Contexte de travail

Le doctorant, la doctorante sous contrat CNRS sera basé durant la première moitié de la thèse au laboratoire SUBATECH à Nantes et durant la seconde moitié au laboratoire du LPSC à Grenoble. Les travaux de recherche seront pluridisciplinaires allant de la physique des réacteurs, les données nucléaires et à l'analyse de sûreté
Le laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie de Grenoble (LPSC) (http://lpsc.in2p3.fr) est une unité mixte de recherche associant le CNRS-IN2P3, l'Université Grenoble Alpes (UGA) et l'école Grenoble INP, pour un effectif moyen d'environ 230 personnes. La personne recrutée sera affectée à l'Equipe MSFR composée de 2 agents du LPSC (1 professeure et 1 directeur de recherche émérite) et sera placé sous l'autorité hiérarchique directe du responsable d'équipe (E. Merle).
Le laboratoire de Physique SUBAtomique et TECHnologies Associées (Subatech) (http://www-subatech.in2p3.fr ) est une unité mixte de recherche située à Nantes associant le CNRS-IN2P3, Nantes Université et l'école IMT Atlantique pour un effectif moyen d'environ 180 personnes. Le doctorant, la doctorante sera affecté à l'Equipe Structure et Energie nucléaire composée de 5 agents de SUBATECH (3 enseignants-chercheurs, 2 chargés de recherche CNRS) et sera placé sous l'autorité hiérarchique directe du responsable de la thématique Simulations réacteurs et puissance résiduelle (L. Giot).