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

Emmanuel St-Aubin

Ph.D. thesis (2013)

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Abstract

This research project main objectives are to set up and apply a methodology that candetermine 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 severaldiscriminating criteria. A coarse parametric core modeling, that takes into account standardreactivity devices, is first used to highlight candidates presenting the best economical performancesand to eliminate non viable options. Then, for the best candidates, the neutronicmodeling is optimized before considering reactivity devices adjustment.For every reactivity device managed by the reactor regulating system, innovative genericoptimization methods are used to achieve specific objectives for every fuel cycle, all of thembeing based on the reference natural uranium cycle behavior. Specific optimization objectivesare 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 successfullyimplemented a multi-step method able to maximize both the energy extracted fromthe fuel using an equilibrium refueling optimization, and the reactivity devices adequacy. Wealso propose new reactivity device supercell models that provides accurate reactor databasesfor a fraction of the computing cost usually needed using a full model with a similar spatialdiscretization. Our approach is verified by comparing our simulation results with resultspublished 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 averageexit burn-up by a factor of 4.4 when compared with the reference cycle. The reactivitydevices were also retained after our optimization processes, requiring only minor modificationsto the original design. We determined that a 10%v. heavy water doping of the lightwater within liquid zone controllers could increase the average exit burnup of the referencecycle 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.

Résumé

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 modélisationneutronique 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 lafois, 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 deréactivité 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 chaînede 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 avec10%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
Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie nucléaire
Academic/Research Directors: Guy Marleau
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/1211/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 31 Jan 2014 17:21
Last Modified: 15 Nov 2022 09:38
Cite in APA 7: St-Aubin, E. (2013). Ajustement du rechargement et des mécanismes de réactivité des réacteurs CANDU pour les cycles de combustible avancés [Ph.D. thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/1211/

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