Reactor Physics of a Deep-Burner Prismatic Core for VHTR

Ce mémoire de maîtrise rend compte des problèmes de simulation d'un coeur de réacteur nucléaire à très haute température. Ce coeur possède une géométrie hexagonale prismatique. Le combustible est composé d'isotopes transuraniens et est réparti le long d'un anneau. Le centre du coeur et sa périphérie contiennent des blocs de réflecteur en graphite. Cette disposition pose plusieurs problèmes au neutronicien. Le faible pouvoir modérateur du graphite confère aux neutrons un plus grand libre parcours moyen que dans les réacteurs à eau sous pression. Les blocs de graphite ralentissent plus les neutrons que les blocs de combustible. Ce changement du spectre neutronique se fait sentir profondément à l'intérieur du combustible situé en périphérie du coeur. La thermalisation dans le réflecteur conduit à deux pics de fission caractéristiques aux interfaces combustible - réflecteur, les taux de fission augmentant du fait de la plus grande proportion de neutrons thermiques. Cet effet spectral complique l'utilisation du schéma de calcul classique à deux niveaux : calcul en réseau infini sur un bloc pour générer des paramètres homogénéisés, suivi du calcul de coeur avec des blocs homogènes. Nous avons testé ce schéma sur un coeur dépourvu de mécanismes de contrôle (barres, absorbants) et chargé avec un combustible neuf. Un deuxième schéma a également été mis en place dans lequel les blocs voisins du réflecteur sont simulés au niveau réseau avec leur environnement (supercellules), ceci afin de générer des sections efficaces avec un spectre corrigé, plus proche de la réalité. Un calcul de référence a été effectué avec MCNP. Il en ressort que si le schéma avec les supercellules conduit à une amélioration de la précision, le schéma à blocs simples permet d'ores et déjà de simuler le coeur avec une précision très satisfaisante à condition de garder typiquement 26 groupes d'énergie pour le calcul de coeur. Le temps de calcul prohibitif des supercellules ne permet pas à ce stade de recommander leur utilisation. Cependant, des calculs d'évolution sur une supercellule montrent que la présence du réflecteur induit de fortes variation des concentrations au sein du bloc de combustible. Ceci indique que le calcul de l'évolution des concentrations doive probablement se faire au niveau du calcul de coeur plutôt qu'en calcul réseau. L'ajout des poisons neutroniques et des barres de contrôle devrait également plaider en faveur de l'utilisation de supercellules.

Abstract

The deep-burn prismatic high temperature reactor is made up of an annular core loaded with transuranic isotopes and surrounded in the center and in the periphery by reflector blocks in graphite. This disposition creates challenges for the neutronics compared to usual light water reactor calculation schemes. The longer mean free path of neutrons in graphite affects the neutron spectrum deep inside the blocks located next to the reflector. The neutron thermalization in the graphite leads to two characteristic fission peaks at the inner and outer interfaces as a result of the increased thermal flux seen in those assemblies. Spectral changes are seen at least on half of the fuel blocks adjacent to the reflector. This spectral effect of the reflector may prevent us from successfully using the two step scheme — lattice then core calculation — typically used for water reactors. We have been studying the core without control mechanisms to provide input for the development of a complete calculation scheme. To correct the spectrum at the lattice level, we have tried to generate cross-sections from supercell calculations at the lattice level, thus taking into account part of the graphite surrounding the blocks of interest for generating the homogenised crosssections for the full-core calculation. This one has been done with 2 to 295 groups to assess if increasing the number of groups leads to more accurate results. A comparison with a classical single block model has been done. Both paths were compared to a reference calculation done with MCNP. It is concluded that the agreement with MCNP is better with supercells, but that the single block model remains quite close if enough groups are kept for the core calculation. 26 groups seems to be a good compromise between time and accuracy. However, some trials with depletion have shown huge variations of the isotopic composition across a block next to the reflector. This may imply that microscopic depletion is necessary in the calculation scheme in order to obtain accurate pin-level nuclide densities. Nevertheless, for some scoping studies, block averaged values might have the desired level of accuracy.