Development of a methodology to exploit nuclear data in the unresolved resonance range and the impact on criticality safety and reactor applications
Développement d'une méthodologie pour exploiter les données nucléaires dans le domaine des résonances non-résolues, et impact sur la criticité et la physique des réacteurs
Résumé
Neutronics computations are widely used in reactor physics and criticality calculations to ensure the safety and the exploitation of nuclear facilities. They rely on nuclear data which describe neutron-matter interactions. Among them, cross sections are fundamental data that express the probability for a particular reaction to occur as a function of the incident neutron energy. At the intermediate to high energy range, cross section shapes are no longer distinguished, which defines the so-called unresolved resonance range. There, cross sections can only be computed as average values from average experimentally-determined parameters, as well as probability tables. These latter are a discretized form of the cross section probability distributions, determined from a Monte-Carlo-based technique called the ladder method. This thesis aims at proposing a robust methodology to process cross sections in the unresolved resonance range. In particular, the work carried out deals with statistical sampling of resonances in the framework of the ladder method. Several issues are tackled, among which the impact of the number of sampled resonances on the cross section calculations, as well as the number of Monte-Carlo iterations performed. A relation is established between these quantities and values of the input resonance parameters, namely the ratio of the average resonance spacing and the average total reaction width. Calculations are done for constituents of entire nuclear data libraries, which is an advantage of this work. Then, the random matrix theory is introduced to produce more physical sets of resonances that take into account correlations between the resonance spacings. All calculations are compared to the outcomes of the Hauser-Feschbach formalism for the calculation of average cross sections. When these latter ones are computed using the Moldauer assumption, results significantly match. Several probability table construction methods are then studied. Two innovative methods are introduced, based on a k-clustering algorithm. Benchmarks calculations using neutronics codes complete the results, and enable to formulate a detailed methodology for the nuclear data processing in the unresolved resonance range.
Les calculs neutroniques réalisés notamment pour assurer l’exploitation et la sûreté des installations nucléaires sont très dépendants des données nucléaires, qui décrivent les interactions neutron-matière. En particulier, la connaissance des sections efficaces, qui définissent la probabilité d’occurrence des réactions nucléaires en fonction de l’énergie du neutron, est primordiale. Dans la plage d’énergies du neutron incident qualifiée de domaine des résonances non résolues, une structure résonante caractérise les sections efficaces mais les résonances ne peuvent être différenciées expérimentalement. Seules les valeurs moyennes des sections efficaces peuvent être calculées à partir de paramètres moyens mesurés expérimentalement, ainsi que leurs distributions de probabilité à l’aide d’une méthode Monte-Carlo appelée « la méthode des ladders ». En ce dernier cas, une représentation discrète est alors privilégiée, fondée sur l'utilisation de tables de probabilité. Cette thèse développe une méthodologie précise pour traiter les sections efficaces dans le domaine des résonances non résolues. Le travail réalisé porte notamment sur les méthodes d’échantillonnage statistique de résonances dans le cadre de la méthode des ladders. Plusieurs points sont traités, parmi lesquels l’influence du nombre de résonances échantillonnées sur le calcul des sections efficaces, ou le nombre minimal d’itérations Monte-Carlo à réaliser. Ces questions sont reformulées en fonction des paramètres de résonance fournis, et une relation est établie avec le ratio entre l’espacement moyen entre les résonances et la largeur moyenne de réaction totale. Les calculs sont réalisés sur des bibliothèques entières de données nucléaires, ce qui constitue un point fort de cette thèse. La théorie des matrices aléatoires est ensuite introduite pour échantillonner des jeux de résonances en meilleur accord avec la physique sous-jacente du problème traité. La mise en œuvre de cette théorie permet ici de corréler les espacements entre les résonances échantillonnées. L’ensemble des calculs est comparé avec la théorie de Hauser-Feschbach pour le calcul des valeurs moyennes, avec des résultats probants lorsque cette dernière utilise l’approximation de Moldauer. Plusieurs méthodes de construction de tables de probabilité sont également étudiées, et deux nouvelles méthodes fondées sur des algorithmes de k-clustering sont introduites. Des calculs de benchmarks à l’aide de codes neutroniques permettent de compléter les résultats obtenus, et d’établir une série de recommandations pour le traitement des sections efficaces dans le domaine des résonances non-résolues.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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