Prise en compte de la chaîne de calcul DRAGON5-DONJON5 dans la simulation de réacteurs à eau sous pression hybride via CLASS

La simulation du cycle de combustible nucléaire évalue usuellement l'évolution isotopique du combustible sous irradiation au moyen de calculs réseaux en milieu infini. Compte tenu du nombre de calculs élevé et des coûts importants générés par le calcul unitaire, les calculs coeurs sont rarement considérés pour ces simulations. Or, le calcul réseau, de par les approximations et les biais de simulations qu'il implique, limite le réalisme des prédictions pour les cycles du combustible étudiés. Bien que cette modélisation donne une précision suÿsante pour plusieurs situations, des erreurs importantes peuvent être observées dans d'autres cas ce qui justifie l'étude de l'apport en précision amené par l'échelle coeur sur la composition des inventaires déchargés. Le code de simulation dynamique du cycle du combustible nucléaire CLASS (Core Library for Advanced Scenario Simulation) permet l'analyse de parcs électronucléaires complexes et des unités les composant. CLASS retranscrit l'évolution isotopique des inventaires à chaque instant et pour chaque unité au moyen de méta-modèles physiques basés sur des prédic-teurs constitués de réseaux de neurones spécifiques aux grandeurs neutroniques intervenant à l'échelle interne du réacteur nucléaire. Un premier couplage entre CLASS et DONJON5 a permis d'évaluer les biais générés de ces méta-modèles, lorsque confrontés à la modélisation du coeur complet. Ce couplage consistait à substituer les modèles assemblages présentement uti-lisés dans CLASS par une modélisation à trois dimensions de la géométrie complète du coeur au moyen d'un code de calcul coeur déterministe, soit le chaînage DRAGON5-DONJON5. DONJON5 permet l'interpolation de sections eÿcaces microscopiques et macroscopiques, qui sont générées a priori lors de calculs réseaux réalisés via le code DRAGON5, en fonction de la distribution du burnup pour la résolution de l'équation de di˙usion sur le coeur complet. Si le précédent couplage CLASS-DONJON5 considérait la simulation de coeurs UOx et MOx homogènes, notre travail se focalise sur l'intégration d'un calcul coeur hétérogène représen-tatif d'un REP 900 MWe hybride (c.-à-d. 1/3 MOx - 2/3 UOx). La modélisation DONJON5 développée ici considère une concentration en bore soluble critique et des conditions de fonc-tionnement nominal pour un coeur partiellement chargé d'assemblages de combustible MOx trizonés. Les e˙ets d'hétérogénéité engendrés dans le coeur hétérogène par les caractéris-tiques neutroniques distinctes des combustibles UOx et MOx nécessitent la mise en oeuvre d'un modèle de fabrication tenant compte de la qualité du vecteur isotopique des stocks disponibles dans l'élaboration des assemblages MOx chargés.

Abstract

Most fuel cycle simulation tools are based either on fixed recipes or assembly calculations for reactor modeling. Due to the high number of calculations and extensive computational power requirements, full-core computations are often seen as not viable for this purpose. However, this leads to additional hypotheses and modeling biases, thus limiting the physics realism of the resulting fuel cycle. For several applications, the current modeling method is suÿcient, but precise calculations of discharged compositions may require further refinement. CLASS (Core Library for Advanced Simulation Scenarios) is a dynamic fuel cycle simulation code developed with reactor models based on neural networks to produce nuclear data and physical quantities. Past work has shown a first coupling between CLASS and DONJON5 to quantify neural networks approach biases. This work assesses the applicability of 3D full-core calculations using a deterministic calculation code coupled with nuclear scenario simulations to allow realistic simulation of a full PWR core at equilibrium cycle conditions. The deterministic calculation is provided by the chaining of DRAGON5 and DONJON5. DONJON5 enables interpolation of burnup dependent di˙usion coeÿcients and cross sections generated beforehand by DRAGON5, a deterministic lattice calculation tool. Whereas previous studies considered only homogeneous reactors (i.e. homogeneous assembly in terms of composition and enrichments as well as homogeneous core), the present contribu-tion focuses on the integration of full-core calculations in CLASS for fuel cycles involving a MOX/UO2 PWR core (i.e. 1/3 MOx - 2/3 UOx). The DONJON5 model considered in this work is for a core with critical boron concentration at equilibrium cycle conditions loaded partially with MOx heterogeneous assemblies composed of three enrichments. In fuel cycle calculations, the main issue is to adapt, in the fabrication stage, the fresh fuel composition for the reactor with regards to the isotopic composition of the available stocks. This work presents a fuel loading model based on power-peaking factors minimization that respects cycle time reloading scheme, 235U enrichment as well as Pu concentration and fissile quality, hence, ensuring a more uniform power distribution about the core. This project provides an illustration as to the viability and robustness of this new multiparameter fuel loading model. Also, results obtained via our deterministic approach for homogeneous and heterogeneous reactors are discussed.