Comparison of Different Options for Transmutation Scenarios Studied in the Frame of the French Law for Waste Management
Analyse comparative de différents scénarios de transmutation étudiés dans le cadre de la loi française sur la gestion des déchets nucléaires
1
CEA
2
AREVA NC
3
AREVA NP (France)
In the frame of the French law for waste management, scenarios studies are carried out with the simulation software COSI to compare different options of separation and transmutation of plutonium and minor actinides in the French fleet of reactors. The goal of these studies is to evaluate the consequences of these options on the deployment of Sodium cooled Fast Reactors from the plutonium inventory viewpoint, the actinides inventories, the possibility to transmute the minor actinides in SFR and the capacity of cycle facilities. Based on these results, the economic and technical impacts will be assessed, more specially the impact on waste storage. The paper will focus on COSI results.
Each option has been evaluated in different dynamic scenarios taking into account the transition between the current nuclear reactor park and a generation IV park, with the deployment of SFR in replacement of PWR.
In this paper, we discuss the results of 3 main scenarios: Scenario 1 - plutonium recycling in SFR; Scenario 2 - same as scenario 1 and minor actinides recycling in SFR in heterogeneous mode; Scenario 3 - same as scenario 1 and americium recycling in SFR in heterogeneous mode.
These scenarios have been optimized to minimize the impacts on fuel cycle: stabilization of global Spent Fuel (SF) processing capacity over 40 years, limitation of SF and minor actinides storage...
Whatever the scenario and with the used assumptions, it is possible as from 2040 to deploy SFR to replace PWR in the French fleet of reactors without an external input of plutonium. Nevertheless it is necessary to shorten the minimum cooling time before reprocessing of SFR fuel at the end of SFR deployment.
The first scenario with plutonium recycling in SFR fuel can stabilize the total plutonium inventory around 940 tons, on the condition of having an iso-generator SFR concept.
For the second one, with plutonium and minor actinides recycling in radial blankets of SFR, it is possible to transmute all the actinides of fuel reprocessed after the beginning of separation (2038) by considering 2 rows of radial blankets during the SFR deployment. At the end of the deployment, a single row of blankets is enough to stabilize both cycle and waste MA inventories. Moreover, the radiotoxicity of accumulated High Level Waste is reduced by comparison with scenario 1, where only plutonium is recycled.
The conclusions of scenario 2 can be transposed to the third scenario which considers the deployment of SFR recycling plutonium in the fissile core and americium in radial blankets.
Résumé
Dans le cadre de la loi française sur la gestion des déchets nucléaires, différents scénarios sont étudiés, au moyen du code de calcul COSI, dans le but de procéder à une analyse comparative des différentes options de séparation et de transmutation du plutonium et des actinides mineurs, au sein du parc nucléaire français. L'objectif de ces études consiste à évaluer les conséquences de ces options sur le déploiement de Réacteurs à Neutrons Rapides à caloporteur sodium (SFR, Sodium cooled Fast Reactors), du point de vue de l'inventaire en plutonium, de l'inventaire en actinides, de la possibilité de transmuter les actinides dans les RNR et de la capacité des installations du cycle. À partir de ces résultats, les impacts économiques et techniques seront évalués, et plus particulièrement l'impact sur le stockage des déchets.
Le présent article fait le point sur les résultats obtenus grâce au logiciel COSI.
Chaque option a été évaluée selon différents scénarios dynamiques, en prenant en compte la transition entre le parc actuel de réacteurs nucléaires et un parc de réacteurs de 4ème génération, avec le déploiement de RNR en remplacement des réacteurs à eau pressurisée.
Dans le présent article, nous discutons les résultats de 3 principaux scénarios : scénario 1 : le plutonium est recyclé dans les RNR ; scénario 2 : identique au scénario 1, avec recyclage des actinides mineurs dans les RNR en mode hétérogène ; scénario 3 : identique au scénario 1, avec recyclage de l'américium dans les RNR en mode hétérogène.
Ces scénarios ont été optimisés de manière à réduire les impacts sur le cycle du combustible : stabilisation des capacités globales de traitement des combustibles usés sur une période de l'ordre de 40 ans, limitation des entreposages de combustibles usés et d'actinides, ...
Quels que soient le scénario et les hypothèses associées, il est possible, à compter de 2040, de déployer les RNR au sein du parc français en remplacement des réacteurs à eau pressurisée, sans apport externe de plutonium. Néanmoins, il est nécessaire de réduire la durée minimale de refroidissement avant traitement des combustibles rapides, à la fin du déploiement des RNR.
Le premier scénario de recyclage du plutonium dans le combustible des RNR permet de stabiliser l'inventaire en plutonium aux alentours de 940 tonnes, à condition de disposer d'un concept de RNR iso-générateur.
Dans le second scénario, qui suppose le recyclage du plutonium et des actinides mineurs au niveau des couvertures radiales des RNR, il est possible de transmuter tous les actinides des combustibles retraités après le début de la séparation (2038), en considérant deux rangées de couvertures radiales au cours du déploiement des RNR. À l'issue du déploiement, une seule rangée de couvertures suffit à stabiliser à la fois l'inventaire en cycle et l'inventaire aux déchets des actinides mineurs. En outre, la radiotoxicité des déchets accumulés de haute activité est réduite par comparaison au scénario 1, dans lequel seul le plutonium est recyclé.
Les conclusions tirées des études sur le scénario 2 peuvent être transposées au scénario 3, qui prend en compte le déploiement de RNR recyclant le plutonium dans le cœur fissile et l'américium dans les couvertures radiales.
© SFEN 2009