Mise en oeuvre d'un calcul du coeur BEAVRS en transport 3D cellule par cellule avec le code déterministe APOLLO3

En physique des réacteurs nucléaires, on effectue généralement les calculs neutroniques en deux étapes. Premièrement, un calcul à l'échelle dite réseau est effectué sur un motif d'assemblage de combustible (souvent tronqué suivant ses symétries) en réseau infini. Les sections efficaces macroscopiques issues de ce calcul sont alors utilisées pour caractériser les propriétés des matériaux définis lors de la deuxième étape de calcul : le calcul coeur. Ce dernier étant effectué sur une géométrie 3D finie. Historiquement, le calcul réseau est effectué en théorie du transport et le calcul coeur en théorie de la diffusion. Les avancées technologiques concernant la puissance de calcul des ordinateurs permettent désormais de considérer le calcul coeur en théorie du transport. Dans le cadre du développement de sa nouvelle plateforme de calcul déterministe APOLLO3, le Commissariat à l'Énergie Atomique et aux énergies alternatives (CEA) effectue la validation des performances du code à travers l'élaboration de nouveaux schémas de calcul appliqués aux RNR-Na et REL. Le calcul 3D par la méthode des ordonnées discrètes mis en place lors de ce projet est appliqué au benchmark BEAVRS publié par le MIT en 2013. Ce mémoire a pour but de présenter les travaux de validation effectués en configuration «Hot Zero Power» (HZP). Concernant les options retenues pour le calcul réseau, le maillage énergétique REL383 (383 groupes en énergie) est choisi, pour une utilisation de la méthode des sous-groupes d'ECCO pour l'autoprotection des résonances. Un calcul en transport à 20 groupes en énergie a été effectué pour le calcul du coeur complet. Concernant la validation des calculs réseau, l'utilisation de la méthode de Tone pour l'autoprotection des résonances dans le domaine énergétique rapide permet une diminution du coût de calcul sans changement notable des taux de capture et de fission. L'autoprotection en mélange de certains isotopes (235U et 238U, 107Ag et 109Ag) permet une meilleure modélisation des taux de capture de ces isotopes. Ce mémoire présente la validation à temps initial en configuration Hot Zero Power (HZP) du schéma de calcul (ensemble des solveurs, options de calcul et modélisations du système étudié). La validation a été établie à l'échelle réseau à l'aide de comparaisons avec les résultats issus de calculs de type Monte-Carlo produits avec le code de calcul stochastique TRIPOLI4 aussi développé au CEA. Les résultats du calcul coeur quant à eux sont directement comparés aux données expérimentales fournies dans BEAVRS. Un maximum de 5% d'écart sur les cartes radiales de réponses des détecteurs entre les calculs et les spécifications de BEAVRS est observé.

Abstract

The nuclear reactor physics package code APOLLO3 is presently being developped by the Commissariat à l'Énergie Atomique et aux énergies alternatives (CEA) in France. Its aim is to replace current tools used in the neutronic studies of thermal and fast neutrons reactors. With the increase in computational power in recent years, deterministic methods that used to be too costly for traditional reactor simulations can now be investigated. The Physical Studies Laboratory (Laboratoire d'Études de Physique – LEPh) participates in the validation and certification project of APOLLO3 by testing the code capabilities and developing new calculation sequence. This thesis focuses on a new reference calculation sequence for Pressurized Water Reactors (PWR). Said sequence is based on the long-established two-level type of alculation. First, at the lattice scale, we use the REL383 energy mesh and the Method Of Characteristics (MOC) to compute the flux. Then, the core modeling is carried out using a discrete-ordinate solver with twenty energy groups. The purpose of using a transport equation solver for the core step (instead of the traditional diffusion equation solver) is to validate the whole sequence of APOLLO3's capacity to operate a fine flux calculation on the whole reactor. In order to verify the accuracy of the results, a Monte Carlo code, TRIPOLI4, is used as the reference. We also wanted to compare the performance of APOLLO3 to an experimental case, which is why the whole sequence is applied to the BEAVRS benchmark published by MIT in 2013. This benchmark offers sets of detector data and physical test results for two complete cycles, including the first cycle of operation, for an industrial PWR. We limit our investigation to Hot Zero Power (HZP) fresh fuel configurations. Different self-shielding configurations are first compared. The main self-shielding step is eventually implemented with the subgroup method from the ECCO code and shows good accuracy with respect to Monte Carlo results. Then it is shown that using the Tone method in the high energy domain allows for a speed gain of up to 40% of the global calculation time on the lattice level – while retaining similar results. Finally, a simulation of a quarter core leads to a maximum discrepancy of 5% on the radial map of detector responses provided in the BEAVRS specifications.