Development of a Methodology for the Multiphysic Best-Estimate Modelling of PWR Core along Irradiation - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Development of a Methodology for the Multiphysic Best-Estimate Modelling of PWR Core along Irradiation

Développement d'une méthodologie de modélisation multiphysique de type best-estimate d'un coeur de REP en évolution

Résumé

This thesis aims at improving the modelling of Pressurized Water Reactors (PWRs). Nuclear reactors in general can be considered as multiphysic systems, as their accurate representation often requires to account for neutronics, thermal-hydraulics, isotopic evolution and fuel performance. In particular, this work concerns the development of a multiphysic calculation scheme for fine mesh (pin cell resolution) depletion calculations and its numerical optimization. Conventional approaches generally deploy solvers specialised on a subset of the physics, while resorting to simplified models for the rest. Thanks to the increasing availability of large computational resources and to the higher flexibility of modern programming languages, a large number of research groups is working on the development of simulation tools that rely less on the use of simplified models. A general coupling scheme is developed exploiting the tools from the SALOME platform. It ensures the compatibility with a set of the CEA solvers, including APOLLO3® for the neutronics, FLICA4 or THEDI for the thermal-hydraulics and heat conduction and MENDEL for the depletion calculations. Through the coupling of an APOLLO3® core solver with FLICA4, it is possible to combine two-steps neutronic simulations based on pin-cell homogenization with subchannel thermal-hydraulics and heat conduction on every fuel rod. This approach could be placed in between the two most common solutions found in literature for the computation of safety and design parameters at the pin-cell scale: it requires less computing power than the high-fidelity direct calculations (i.e. with no a priori homogenization) and it makes fewer assumptions than the faster running schemes based on the pin-power-reconstruction technique (i.e. the combination of coarse mesh calculations with form functions for the local refining of the results).Following a common approach, the depletion calculations are modelled as a sequence of steady states. For this reason, a large part of the thesis is devoted to the optimization of the steady-state scheme. A simple case study (mini-core: 5x5 PWR fuel assemblies plus reflector) is defined in order to allow to perform a large number of simulations in an acceptable time. On this applicative test, the best combination of models is selected by analysing the performance of the alternatives in terms of discrepancies with the reference and computational cost. In respect of the numerical optimization, two of the most common methods found in literature, the fixed-point and the Anderson methods, are tested confirming the superiority of the latter both in terms of robustness and efficiency. A variant of the fixed-point, here referred to as generalized fixed-point with partial-convergences, which is widespread in the nuclear industry, but hardly ever mentioned in publications, is studied in detail. Knowing that the effectiveness of this technique depends on the considered solvers, in this context, this method proves to solve the major robustness problems of the fixed-point and offers a higher efficiency than the Anderson method. While not possible to directly extend the Anderson method with the partial-convergences, following their core principles, a modified Anderson algorithm is proposed. Preliminary tests lead to promising results in terms of efficiency improvement.In order to account for the evolution of the fuel thermal-mechanical properties along irradiation, a simplified fuel gap heat transfer model is included in the scheme. The first tests confirm the importance of including this model. For the depletion scheme, the research of the target boron concentration is implemented. To do so, an approximated Newton method is adapted to be compatible with the generalized fixed-point with partial-convergences. All the elements mentioned so far are combined together to produce a multiphysic depletion calculation scheme, which is successfully tested on a constant power irradiation scenario.
Cette thèse vise à améliorer la modélisation des Réacteurs à Eau Pressurisée (REPs). Les réacteurs nucléaires en général peuvent être considérés comme des systèmes multiphysiques, leur modélisation nécessite la prise en compte des phénomènes de neutronique, thermohydraulique, évolution isotopique et physique du combustible. Plus en détail, ces travaux concernent le développement d’un schéma de calcul d’évolution de type multiphysique avec maillage raffiné (échelle cellule du combustible) et son optimisation numérique. La démarche classique est basée sur l’utilisation de solveurs spécialisés sur un sous-ensemble des physiques combiné avec des modèles simplifiés pour le reste. Grâce à la croissante disponibilité de grandes ressources computationnelles et à la grande flexibilité des langages de programmation modernes, beaucoup de chercheurs sont en train de travailler sur le développement d’outils de simulation qui s’appuient moins sur des modèles simplifiés. Un schéma de calcul a ainsi été développé en exploitant les outils de la plateforme SALOME. Un ensemble de solveurs CEA est intégré, dont APOLLO3® pour la neutronique, FLICA4 ou THEDI pour la thermohydraulique et la conduction de chaleur et MENDEL pour le calcul d’évolution. A travers le couplage entre APOLLO3® et FLICA4, il est possible de combiner un calcul neutronique en deux étapes basé sur une homogénéisation à l’échelle cellule de combustible avec un calcul thermohydraulique sous-canal et la conduction de chaleur dans tous les crayons. Cette approche est intermédiaire entre les deux stratégies les plus diffusées pour le calcul de paramètres de sûreté et conception à l’échelle de la cellule de combustible : il demande moins de puissance computationnelle que les schémas high-fidelity basés sur un calcul direct (i.e. sans homogénéisation a priori) et il fait moins d’hypothèses que les schémas basés sur la technique de reconstruction de la forme de puissance fine qui sont pourtant souvent plus rapides.Les calculs d’évolution sont modélisés comme une séquence d’états permanents. Pour cela, une partie conséquente de la thèse est dédiée à l’optimisation du schéma de calcul en permanent. Un cas d’étude simple (mini-cœur : 5x5 assemblages REPs plus réflecteur) est défini pour pouvoir exécuter un grand nombre de simulations dans un temps acceptable. Sur ce cas test, la meilleure combinaison de modèles est sélectionnée d’après une analyse de performance basée sur les écarts avec la référence et les coûts computationnels. Par rapport à l’optimisation numérique, deux des méthodes les plus utilisées, le point-fixe et Anderson, sont testées en confirmant la supériorité de cette dernière. Une généralisation du point-fixe basée sur les convergences partielles, qui est diffusée dans l’industrie, mais pas autant que ça dans la littérature, est étudiée en détails. Sachant que l’efficacité de cette technique dépend des solveurs considérés, elle démontre pouvoir résoudre les problèmes de robustesse du point fixe et offrir une meilleure efficacité que la méthode d’Anderson. Alors que ce n’est pas possible d’étendre directement la méthode d’Anderson avec les convergences partielles, en suivant leurs principes fondamentaux, une version modifiée est proposée. Des tests préliminaires donnent des résultats prometteurs en termes d’efficacité.Afin de prendre en compte l’évolution des propriétés thermomécaniques du combustible, un modèle simplifié pour le coefficient d’échange thermique dans le jeu pastille-gaine est inclus dans le schéma. Les premiers tests confirment l’importance de ce modèle. La recherche de la concentration de bore ciblé est implémentée. Pour obtenir la compatibilité avec le point-fixe généralisé aux convergences partielles, une méthode de Newton est adaptée. Tous les éléments mentionnés jusqu’à maintenant sont combinés ensemble pour produire un schéma de calcul d’évolution de type multiphysique, qui est testé avec succès sur un scénario d’irradiation à puissance constante.
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Dates et versions

tel-03012160 , version 1 (18-11-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03012160 , version 1

Citer

Paolo Cattaneo. Development of a Methodology for the Multiphysic Best-Estimate Modelling of PWR Core along Irradiation. Chemical and Process Engineering. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2020. English. ⟨NNT : 2020GRALI037⟩. ⟨tel-03012160⟩
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