Ajustement du rechargement et des mécanismes de réactivité des réacteurs CANDU pour les cycles de combustible avancés

Les objectifs principaux poursuivis dans ce projet de recherche sont d'établir et d'appliquer une méthodologie capable de déterminer la potentialité de nouveaux cycles de combustible à base de thorium dans les réacteurs CANDU et d'adapter les mécanismes de réactivité de manière à ce qu'ils conservent leur efficacité pour les nouvelles options identifiées. Pour la sélection de cycles de combustible, l'approche adoptée consiste à appliquer un ensemble de critères de sélection à une vaste enveloppe de candidats de manière à éliminer les cas incompatibles avec l'exploitation d'un CANDU au fur et à mesure du raffinement de la modélisation numérique du réacteur. D'abord, une modélisation paramétrique grossière du réacteur, tenant compte des mécanismes de réactivité nominaux, est utilisée pour identifier les options présentant les meilleures performances du point de vue économique. La modélisation neutronique est ensuite optimisée pour les cas sélectionnés. Des méthodes novatrices génériques d'optimisation de chacune des familles de mécanismes du système de régulation du réacteur sont alors utilisées pour atteindre des objectifs spéciques à chacun des cycles, mais tous basés sur le comportement du cycle de référence. Les objectifs sont déduits à partir de simulation du réacteur dans des situations particulières,telles que : le rechargement en marche normal, un déclenchement d'un système d'arrêt d'urgence et une panne d'une machine à combustible. Contrairement à l'approche perturbative généralisée préconisée dans le code OPTEX,nous avons mis en place avec succès une méthode multi-étapes capable de maximiser à la fois, l'énergie extraite du combustible par une optimisation du rechargement en marche à l'équilibre du rechargement, ainsi que l'adéquation des mécanismes avec leurs exigences fonctionnelles.De plus, nous proposons de nouveaux modèles de supercellule des mécanismes de réactivité avec DRAGON permettant d'obtenir des bases de données d'une grande précision pour les calculs de coeur fini, à une fraction de l'effort de calcul normalement utilisée pour une précision comparable. L'accord avec la littérature des résultats obtenus durant la chaîne de calculs numériques pour le cycle de référence permet de valider l'approche adoptée. La méthode développée a permis d'identifier des cycles de combustibles contenant jusqu'à 60%v. de thorium, améliorant de plus de 50% l'utilisation des ressources et multipliant par un facteur 4,4 le taux combustion moyen du combustible sortant du coeur par rapport à la référence, tout en conservant l'efficacité des mécanismes de réactivité par des modifications mineures. De plus, nous avons déterminé qu'un dopage de l'eau légère des barres liquides avec 10%v. d'eau lourde permettrait d'augmenter l'économie du cycle de réféerence de près de 1%,sans conséquence sur le contrôle du réacteur. L'application systématique de la méthodologie

Abstract

This research project main objectives are to set up and apply a methodology that can determine the potential of advanced thorium-based fuel cycles in CANDU reactors and that is able to adjust reactivity devices, in such a way as to maintain their reference efficiency for these new fuels. In order to select these fuel cycles, a large alternative fuel envelope is submitted to several discriminating criteria. A coarse parametric core modeling, that takes into account standard reactivity devices, is first used to highlight candidates presenting the best economical performances and to eliminate non viable options. Then, for the best candidates, the neutronic modeling is optimized before considering reactivity devices adjustment. For every reactivity device managed by the reactor regulating system, innovative generic optimization methods are used to achieve specific objectives for every fuel cycle, all of them being based on the reference natural uranium cycle behavior. Specific optimization objectives are assessed by simulating advanced fuel cycle for specific operating conditions, including : normal on-power refueling period, spurious reactor trip and fueling machine unavailibility. Unlike the generalized perturbative approach proposed in the OPTEX code, we have successfully implemented a multi-step method able to maximize both the energy extracted from the fuel using an equilibrium refueling optimization, and the reactivity devices adequacy. We also propose new reactivity device supercell models that provides accurate reactor databases for a fraction of the computing cost usually needed using a full model with a similar spatial discretization. Our approach is verified by comparing our simulation results with results published in the literature for the reference fuel cycle. The methodology developed identified advanced fuel cycles, containing up to 60%v. thorium, thereby increasing resources utilization by more than 50% and multiplying the fuel average exit burn-up by a factor of 4.4 when compared with the reference cycle. The reactivity devices were also retained after our optimization processes, requiring only minor modifications to the original design. We determined that a 10%v. heavy water doping of the light water within liquid zone controllers could increase the average exit burnup of the reference cycle by almost 1%, without any adverse consequence to the reactor control. This method is validated through its systematic application to numerous different cases. It demonstrates its capability to achieve very different objectives related to reactivity devices requirements, thus it can be now used for other similar studies.