Application de la théorie des perturbations généralisées et des algorithmes stochastiques afin d'améliorer les réflecteurs des réacteurs CANDU6

Les réacteurs CANDU6 sont des réacteurs fonctionnant à l'uranium naturel. Cette particularité demande que le réflecteur du réacteur soit plus diffusant qu'absorbant. De ce fait, les concepteurs du réacteur ont choisi l'eau lourde comme élément unique du réflecteur. L'eau lourde est une matière très chère. Sachant que la distribution des neutrons dans tous les réacteurs n'est pas uniforme, cette caractéristique complique en quelque sorte le rechargement du réacteur. Si on considère une distribution de flux neutronique uniforme dans le réacteur, le rechargement du coeur du réacteur sera beaucoup plus facile à gérer et ses étapes pourraient être automatisées. De ce fait, l'idée est d'introduire une nouvelle composition du réflecteur dans les réacteurs CANDU6 en introduisant un métal dans la zone du réflecteur. Cette modification a pour but d'aplatir le flux et de diminuer la quantité d'eau lourde introduite dans le réacteur. Ceci permettrait donc de diminuer le coût relatif à l'installation de nouvelle centrale et à la rénovation de centrales existantes. La théorie des perturbations généralisées (TPG) est utilisée dans la physique des réacteurs afin d'évaluer la variation du facteur de multiplication dans un réacteur critique. Un des domaines où la cette théorie a eu de grands succès est celui des analyses de la gestion de rechargement dans les réacteurs à eau légère (LWR). Une approche similaire a été proposée afin d'optimiser la gestion du combustible dans les réacteurs CANDU. Dans ce mémoire, nous proposons une nouvelle approche pour l'application de TPG. La théorie des perturbations généralisées a permis de calculer les variations de puissances zonales. Un module dédié aux calculs des variations de puissances zonales a été développé pour ce projet et a été intégré à DONJON. Ces variations de puissances zonales ont été utiles pour comparer les nouvelles compositions du réflecteur des réacteurs CANDU6. L'algorithme de recherche TABOU, ainsi qu'un algorithme GÉNÉTIQUE ont été utilisés afin d'obtenir la nouvelle composition optimale du réflecteur. Une fonction objectif ayant pour but d'aplatir la distribution de puissance a été définie et utilisée par les deux algorithmes. Cette fonction se base sur la définition standard des 14 zones de contrôle pour les contrôleurs liquides dans un CANDU6.

Abstract

The CANDU6 reactor has many differences from other power reactors among which it has horizontal fuel bundles that can be refueled on power and uses natural uranium (0.7% of uranium 235) as fuel. Another important characteristic of CANDU6 reactors is the heavy water moderator and reflector. Heavy water surrounding the reactor core reflects back some of the neutrons escaping from the core and saves neutrons that are then available for the fission process. Many parameters are important to define the combination of materials to be used in the reflector e.g. materials compatibility, economy, strength, shielding, etc… The ideal reflector has a high probability of scattering neutrons and a low absorption probability. Heavy water being very expensive, the use of a large heavy water reflector presents a large cost. The purpose of this work is to perturb the CANDU reflector in order to obtain a more uniform flux distribution throughout the reactor core while lowering the reflector cost. We have defined different metal mixtures and introduced them into the reflector. These mixtures contain concentrations of Fe56, Cr52, Ni58 and Mn55 atoms and are added at different positions of the reflector with various concentrations. The idea is to design a new heterogeneous reflector still containing mostly heavy water but with interstitial metal components. This would reduce the cost of installation of new plant and renovation of existing plants. Generalized Perturbation theory (GPT) is widely used in reactor physics to evaluate variation of the multiplication factor in a critical reactor. One area where GPT methods have been particularly successful is in Light Water Reactors (LWR) fuel management analysis. A similar approach has been proposed to optimize fuel management in a Candu reactor at equilibrium refueling. A new application of GPT to evaluate the variation of zonal power as a result of the reflector perturbation is proposed in this project. This approach allows us to define modification sites in the reflector of a CANDU6 reactor. The Taboo search and the genetic algorithm had been used to obtain the new reflector configuration. An objective function which tries to flatten the power distribution among the 14 standard control zones is used.