Étude des performances de solveurs déterministes sur un cœur rapide à caloporteur sodium

Les réacteurs de génération IV, et en particulier les RNR-Na, représentent un nouveau challenge pour les outils numériques utilisés à l'heure actuelle. Ces solveurs ont été conçus pour les réacteurs thermiques avant tout, et il n'est pas évident que leurs capacités soient suffisantes pour l'étude de réacteurs rapides. En effet, ces nouveaux concepts de coeur ont un design différent de leurs prédécesseurs, et possèdent des mécanismes pouvant représenter un écueil pour les méthodes classiques. En particulier, la vidange du plénum sodium situé au-dessus de la zone combustible induit un milieu presque vide, et les sections efficaces associées peuvent conduire à des problèmes de convergence numérique. Il faut donc s'assurer de la validité des solveurs déterministes, et déterminer leurs éventuelles insuffisances. Cette étude ayant été réalisée dans le cadre d'un stage au CEA, à l'initiative de l'IGN de l'EPM, les codes étudiés sont DRAGON/DONJON, ERANOS, PARIS, et APOLLO3. Leur précision a été évaluée par rapport à une référence Monte Carlo calculée avec le code TRIPOLI4. Une telle comparaison transverse est relativement inédite, et permet d'avoir une vue d'ensemble de performance des principaux solveurs coeur utilisés à l'heure actuelle. L'étude présentée ici se limite à l'aspect calcul de coeur, essentiellement sur les performances des méthodes numériques, d'un point de vue précision et rapidité. Il n'est pas question ici des données nucléaires ou d'autres points concernant le calcul réseau (autoprotection, calcul de flux, évolution isotopique des milieux), non plus d'évolution en burnup ou en temps. Afin d'évaluer les performances des solveurs, il a d'abord fallu tester leur sensibilité intrinsèque et leur stabilité par rapport aux différents paramètres de calcul, et dégager un profil optimal de calcul pour chacun. Dans un deuxième temps, une comparaison exhaustive en ce qui concerne leur précision et rapidité a été réalisée, basée sur les grandeurs habituelles (coefficient de multiplication effectif, répartition des taux de réactions), mais aussi sur des points plus spécifiques au design en question, à savoir l'effet des barres de contrôle, et l'effet de vidange sodium. Le temps de calcul a été un autre facteur déterminant. Les recommandations tirées de cette étude doivent être appliquées avant tout dans un cadre similaire, c'est-à-dire pour un petit coeur rapide à géométrie hexagonale. Il est possible que les conclusions doivent être adaptées ou nuancées pour des calculs de grands coeurs, ce qui est sans doute la première étape des prolongements à donner à cette étude.

Abstract

The reactors of next generation, in particular SFR model, represent a true challenge for current codes and solvers, used mainly for thermic cores. There is no guarantee that their competences could be straight adapted to fast neutron spectrum, or to major design differences. Thus it is necessary to assess the validity of solvers and their potential shortfall in the case of fast neutron reactors. As part of an internship with CEA (France), and at the instigation of EPM Nuclear Institute, this study concerns the following codes : DRAGON/DONJON, ERANOS, PARIS and APOLLO3. The precision assessment has been performed using Monte Carlo code TRIPOLI4. Only core calculation was of interest, namely numerical methods competences in precision and rapidity. Lattice code was not part of the study, that is to say nuclear data, self-shielding, or isotopic compositions. Nor was tackled burnup or time evolution effects. The study consists in two main steps : first evaluating the sensitivity of each solver to calculation parameters, and obtain its optimal calculation set ; then compare their competences in terms of precision and rapidity, by collecting usual quantities (effective multiplication factor, reaction rates map), but also more specific quantities which are crucial to the SFR design, namely control rod worth and sodium void effect. The calculation time is also a key factor. Whatever conclusion or recommendation that could be drawn from this study, they must first of all be applied within similar frameworks, that is to say small fast neutron cores with hexagonal geometry. Eventual adjustments for big cores will have to be demonstrated in developments of this study.