Sujet de Thèse
Titre :
Développement d'une méthodologie de modélisation dynamique pour la conception et l'exploitation des
réacteurs de 4éme génération
Dates :
2026/01/01 - 2028/12/31
Encadrant(s) :
Description :
1. Contexte et objectifs industriels
L'intérêt pour les réacteurs de quatrième génération a été bousculé avec l'arrêt du programme ASTRID et il
reprend de la vigueur grâce au lancement de plusieurs programmes de recherche et de financement
visant le développement de concepts innovants apparentés à la 4e génération. Les réacteurs de 4? génération
présentent des objectifs de sûreté supérieurs à ceux des réacteurs à eau, grâce à l'intégration de systèmes
passifs. Les méthodes probabilistes d'évaluation des risques, réservées aux phases de démonstration de sûreté
et de licensing, pourraient jouer un rôle clé dès la phase de conception et tout au long de l'exploitation.
Les objectifs industriels de la thèse sont les suivants :
- Développer une méthodologie adaptée aux réacteurs de 4? génération pour optimiser la conception et
l'exploitation
- Capitaliser les études de sûreté existantes (Superphénix) afin d'identifier les points en commun et ceux à
réévaluer avec la démonstration de sûreté d'un réacteur de 4? génération.
- Poursuivre l'industrialisation des méthodes dynamiques au sein des Etudes Probabilistes de Sûreté.
2. Etat de l'art, objectifs de la thèse et verrous scientifiques
Les méthodes statiques booléennes sont utilisées en support à la démonstration de sûreté des réacteurs
nucléaires. Cependant, l'approche statique reste très conservative lorsque les scenarios accidentels sont
caractérisés par un fort impact de la physique et de la temporalité des évènements ou si la cinétique est lente
et la réparation des composants pourrait être valorisée.
Pour réduire ces conservatismes, les méthodes dynamiques ont été développées. EDF R&D, au sein du
Département PERICLES, a une longue expérience dans l'utilisation et le développement de ces méthodes
(Rychkov et al., 2025), (Massoulier et al., 2023). Dans les dernières années, en particulier, le choix s'est orienté
sur l'utilisation des statecharts et plusieurs études et publications ont été réalisées. Le département MPSI du
CRAN possède une solide expérience dans l'élaboration de méthodes dynamiques et leur mise en oeuvre en
contrôle-commande et en sûreté de fonctionnement, e.g. (Babykina et al. 2016) qui utilise des automates
stochastiques hybrides ou (Gouyon et al. 2020) qui utilise des automates temporisés. Les statecharts étendent
le formalisme des automates avec des mécanismes d'hiérarchie, d'orthogonalité et de communication entre
les états permettant une modélisation concise des systèmes complexes. Ces méthodes dynamiques ne
modélisent pas l'indisponibilité, mais elles modélisent le vrai comportement d'un système lorsque des
évènements surviennent.
En modélisant le comportement de l'ensemble des systèmes, les méthodes dynamiques permettraient de :
quantifier la probabilité d'apparition de scenarios, identifier leurs causes, optimiser l'exploitation pour réduire
ces probabilités.
La thèse se donne comme objectif d'explorer l'utilisation des statecharts pour optimiser l'exploitation des
réacteurs de 4? génération. D'un point de vue scientifique, cela vise à répondre à trois points de
développement :
- Exploitation?: la thèse vise à appliquer au domaine de l'exploitation les méthodes dynamiques aujourd'hui
réservées à la sûreté
- Cible technologique?: aucune étude n'a encore porté sur les réacteurs de 4? génération
- Échelle du modèle?: les modèles dynamiques existants ne couvrent que les systèmes de sûreté ; la thèse vise
à développer un modèle dynamique qui intègre l'ensemble de l'installation.
Les caractères innovants de la thèse sont :
- Modèle à périmètre élargi : contrairement aux modèles existants se limitant à un périmètre réduit aux
composants ou systèmes sollicités par l'accident analysé, le modèle proposé couvrira l'ensemble des sous-
systèmes pertinents.
- Application à l'exploitation?: dans l'industrie nucléaire, les modèles dynamiques ont jusqu'ici été utilisés
exclusivement pour la sûreté?; le projet les transpose à l'optimisation de l'exploitation.
Les principaux verrous sont :
- Verrou scientifique?⬓?Applicabilité des méthodes dynamiques : Les méthodes dynamiques, développées
pour l'analyse de sûreté, pourraient se révéler non adaptées à d'autres types d'applications
- Verrous scientifique?⬓ Exploration de scénarios critiques : Il faut générer les scénarios qui peuvent
impacter la durée de vie de la cuve et la disponibilité du réacteur
- Verrou technique?⬓?Périmètre de modélisation : La modélisation dynamique doit couvrir un périmètre
large (nombre, taille, complexité du système) tout en restant calculable
- Verrou technologique?⬓?Capacité de l'outil : l'outil itemis CREATE (Statechart) n'a pas été conçu à l'origine
pour des modèles de cette ampleur ; il faut vérifier s'il peut gérer la complexité requise
- Verrou technique?⬓?Disponibilité et qualité des données : Les données nécessaires sur un design actuel ne
sont pas toujours accessibles. Dès qu'elles seront disponibles, il sera possible d'exploiter le modèle déjà en
phase de conception afin de guider les choix de design.
3. Programme technique et tâches détaillées de la thèse
Pour répondre aux objectifs, les étapes consisteront à :
- Étudier la documentation SPX : recenser les scénarios susceptibles d'impacter la durée de vie de la
centrale et déterminer les leviers d'optimisation de la conception et de l'exploitation
- Construire le modèle dynamique pour représenter le comportement de SPX et l'interaction des différents
systèmes
- Simuler le modèle afin d'estimer les probabilités d'apparition de chaque scénario critique et identifier les
paramètres d'exploitation permettant de réduire ces probabilités
- Evaluer la possibilité d'étendre le périmètre du modèle à l'analyse de sûreté
- Analyser les résultats
- Reproduire le processus pour un réacteur autre que SPX avec la possibilité d'étendre l'application du
modèle à la conception.
L'intérêt pour les réacteurs de quatrième génération a été bousculé avec l'arrêt du programme ASTRID et il
reprend de la vigueur grâce au lancement de plusieurs programmes de recherche et de financement
visant le développement de concepts innovants apparentés à la 4e génération. Les réacteurs de 4? génération
présentent des objectifs de sûreté supérieurs à ceux des réacteurs à eau, grâce à l'intégration de systèmes
passifs. Les méthodes probabilistes d'évaluation des risques, réservées aux phases de démonstration de sûreté
et de licensing, pourraient jouer un rôle clé dès la phase de conception et tout au long de l'exploitation.
Les objectifs industriels de la thèse sont les suivants :
- Développer une méthodologie adaptée aux réacteurs de 4? génération pour optimiser la conception et
l'exploitation
- Capitaliser les études de sûreté existantes (Superphénix) afin d'identifier les points en commun et ceux à
réévaluer avec la démonstration de sûreté d'un réacteur de 4? génération.
- Poursuivre l'industrialisation des méthodes dynamiques au sein des Etudes Probabilistes de Sûreté.
2. Etat de l'art, objectifs de la thèse et verrous scientifiques
Les méthodes statiques booléennes sont utilisées en support à la démonstration de sûreté des réacteurs
nucléaires. Cependant, l'approche statique reste très conservative lorsque les scenarios accidentels sont
caractérisés par un fort impact de la physique et de la temporalité des évènements ou si la cinétique est lente
et la réparation des composants pourrait être valorisée.
Pour réduire ces conservatismes, les méthodes dynamiques ont été développées. EDF R&D, au sein du
Département PERICLES, a une longue expérience dans l'utilisation et le développement de ces méthodes
(Rychkov et al., 2025), (Massoulier et al., 2023). Dans les dernières années, en particulier, le choix s'est orienté
sur l'utilisation des statecharts et plusieurs études et publications ont été réalisées. Le département MPSI du
CRAN possède une solide expérience dans l'élaboration de méthodes dynamiques et leur mise en oeuvre en
contrôle-commande et en sûreté de fonctionnement, e.g. (Babykina et al. 2016) qui utilise des automates
stochastiques hybrides ou (Gouyon et al. 2020) qui utilise des automates temporisés. Les statecharts étendent
le formalisme des automates avec des mécanismes d'hiérarchie, d'orthogonalité et de communication entre
les états permettant une modélisation concise des systèmes complexes. Ces méthodes dynamiques ne
modélisent pas l'indisponibilité, mais elles modélisent le vrai comportement d'un système lorsque des
évènements surviennent.
En modélisant le comportement de l'ensemble des systèmes, les méthodes dynamiques permettraient de :
quantifier la probabilité d'apparition de scenarios, identifier leurs causes, optimiser l'exploitation pour réduire
ces probabilités.
La thèse se donne comme objectif d'explorer l'utilisation des statecharts pour optimiser l'exploitation des
réacteurs de 4? génération. D'un point de vue scientifique, cela vise à répondre à trois points de
développement :
- Exploitation?: la thèse vise à appliquer au domaine de l'exploitation les méthodes dynamiques aujourd'hui
réservées à la sûreté
- Cible technologique?: aucune étude n'a encore porté sur les réacteurs de 4? génération
- Échelle du modèle?: les modèles dynamiques existants ne couvrent que les systèmes de sûreté ; la thèse vise
à développer un modèle dynamique qui intègre l'ensemble de l'installation.
Les caractères innovants de la thèse sont :
- Modèle à périmètre élargi : contrairement aux modèles existants se limitant à un périmètre réduit aux
composants ou systèmes sollicités par l'accident analysé, le modèle proposé couvrira l'ensemble des sous-
systèmes pertinents.
- Application à l'exploitation?: dans l'industrie nucléaire, les modèles dynamiques ont jusqu'ici été utilisés
exclusivement pour la sûreté?; le projet les transpose à l'optimisation de l'exploitation.
Les principaux verrous sont :
- Verrou scientifique?⬓?Applicabilité des méthodes dynamiques : Les méthodes dynamiques, développées
pour l'analyse de sûreté, pourraient se révéler non adaptées à d'autres types d'applications
- Verrous scientifique?⬓ Exploration de scénarios critiques : Il faut générer les scénarios qui peuvent
impacter la durée de vie de la cuve et la disponibilité du réacteur
- Verrou technique?⬓?Périmètre de modélisation : La modélisation dynamique doit couvrir un périmètre
large (nombre, taille, complexité du système) tout en restant calculable
- Verrou technologique?⬓?Capacité de l'outil : l'outil itemis CREATE (Statechart) n'a pas été conçu à l'origine
pour des modèles de cette ampleur ; il faut vérifier s'il peut gérer la complexité requise
- Verrou technique?⬓?Disponibilité et qualité des données : Les données nécessaires sur un design actuel ne
sont pas toujours accessibles. Dès qu'elles seront disponibles, il sera possible d'exploiter le modèle déjà en
phase de conception afin de guider les choix de design.
3. Programme technique et tâches détaillées de la thèse
Pour répondre aux objectifs, les étapes consisteront à :
- Étudier la documentation SPX : recenser les scénarios susceptibles d'impacter la durée de vie de la
centrale et déterminer les leviers d'optimisation de la conception et de l'exploitation
- Construire le modèle dynamique pour représenter le comportement de SPX et l'interaction des différents
systèmes
- Simuler le modèle afin d'estimer les probabilités d'apparition de chaque scénario critique et identifier les
paramètres d'exploitation permettant de réduire ces probabilités
- Evaluer la possibilité d'étendre le périmètre du modèle à l'analyse de sûreté
- Analyser les résultats
- Reproduire le processus pour un réacteur autre que SPX avec la possibilité d'étendre l'application du
modèle à la conception.
Mots clés :
modélisation dynamique et probabiliste, réacteurs nucléaires de 4éme génération, Statecharts
Département(s) :
| Modélisation Pilotage des Systèmes Industriels |
Financement :
financement CIFRE
Publications :
