Ecole Doctorale
Physique et Sciences de la Matière
Spécialité
PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : ENERGIE, RAYONNEMENT ET PLASMA
Etablissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Coefficient Doppler,Coefficient de température du combustible,Retour de réactivité,Multiphysique,Étude de faisabilité et viabilité,
Keywords
Doppler Coefficient,Fuel Temperature Coefficient,Reactivity Feedback,Multiphysics,Feasability and Viability Study,
Titre de thèse
Conception d'une expérience Doppler à haute température dans le ZPR : preuve de concept et étude de faisabilité
Design of a high-temperature Doppler experiment in ZPR: proof of concept and feasibility Study
Date
Monday 19 June 2023 à 14:00
Adresse
CEA Cadarache, Cadarache, 13108 Saint-Paul-lez-Durance TBD
Jury
Directeur de these |
M. Yves PONTILLON |
CEA |
Rapporteur |
M. Benoit FORGET |
MIT |
Rapporteur |
M. Gianguido BALDINOZZI |
CNRS, Centrale-Supelec, SPMS |
Examinateur |
Mme Lionel DESGRANGES |
CEA |
Président |
Mme Christelle CARETTE |
Aix-Marseille université |
Examinateur |
M. Pablo RUBIOLO |
INP Grenoble |
Résumé de la thèse
Le coefficient Doppler, ou coefficient de température du combustible (CTC), représente
la principale source de rétroaction négative passive et instantanée de la réactivité
pour limiter lexcursion de puissance maximale pendant les accidents de type RIA
(Reactivity Initiated Accident). Cette propriété du combustible permet limiter les
excursions de puissance sans quil soit nécessaire dintervenir mécaniquement par le
biais des barres de contrôle ou autre mécanisme similaire.
Il a été montré dans des travaux antérieurs que le coefficient Doppler est la princi-
pale source dincertitude (environ 15%) des transitoires RIA du réacteur Cabri au CEA
Cadarache, conçu pour reproduire le RIA des réacteurs du parc. Les seules mesures
quantitatives et qualitatives connues du coefficient Doppler ont été effectuées dans
la maquette critique Minerve à Cadarache vers 1980. Ces mesures, effectuées par
loscillation dun échantillon de combustible chauffé puis inséré dans le cur, ne vont
que jusquà environ 800 °C, ce qui reste bien inférieur aux températures attendues
dans un RIA, où la température interne du combustible peut atteindre jusquà 2000 ° C.
Il a donc été décidé de réaliser des travaux préliminaires de simulation couplée neu-
tronique/thermomécanique afin de vérifier la faisabilité et la viabilité dune série
dexpériences modernes visant à mesurer le coefficient Doppler à des températures
allant jusquaux limites permises par les propriétés des matériaux des échantillons
chauffés.
Ce travail de thèse couvre cette analyse préliminaire, en commençant par un état de
lart sur les modèles délargissement Doppler dans les codes de transport de neutrons
de Monte Carlo, et simuler le cas particulier de la diffusion élastique. On a montré que
les différents modèles de diffusion peuvent entraîner des différences substantielles
dans le coefficient Doppler extrait. Une étude du comportement thermomécanique
déchantillons de combustible UO2 a ensuite été réalisée. Cette étude, réalisée à
laide du code multiphysique COMSOL, a permis didentifier plusieurs paramètres
expérimentaux clés à haute température qui doivent être pris en compte, à savoir
que le matériau de gainage Zircaloy typique doit être remplacé par un autre matériau
(le niobium est probablement le meilleur candidat) et que toute expérience de type
oscillation doit être réalisée sous vide afin de minimiser le taux de perte de chaleur de
léchantillon pendant la phase doscillation. Cette étude a été suivie dune série de
simulations neutroniques du cur complet dans un réseau générique de type ZPR.
Nous avons montré que les incertitudes attendues à des températures supérieures
à environ 1400 K empêchent la collecte de données statistiquement significatives
au-delà de cette température pour des échantillons de combustible de 20 cm. La tem-
pérature limite pour les échantillons plus courts (10 cm) sest avérée être denviron 900
K, ce qui est inférieur à la limite supérieure des expériences Minerve susmentionnées.
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Ensuite, une série de calculs dynamiques de réacteurs ponctuels a été réalisée afin
de quantifier les performances attendues des expériences doscillation dans des con-
ditions transitoires représentatives. En outre, nous avons également tenté dextraire
le coefficient Doppler par la technique de divergence où la réactivité est extraite par
léquation dInhour. Cela a donné lieu à des incertitudes estimées qui sont, au mieux,
comparables aux résultats obtenus en utilisant la méthode doscillation typique. Dans
la région des hautes températures, cette méthode alternative a donné des résultats
nettement moins bons.
En résumé, nous avons constaté que, même dans les meilleures conditions, il
est probable que des mesures statistiquement significatives du coefficient Doppler
ne peuvent être obtenues que jusquà environ 1400K et que, des deux méthodes
simulées pour lextraction de ce coefficient, la méthode doscillation classique reste
probablement le meilleur choix.
Thesis resume
The Doppler coefficient, or Fuel Temperature Coefficient (FTC), represents the primary
source of passive and instantaneous negative reactivity feedback to limit peak power
excursion during Reactivity Initiated Accidents (RIA). As it is a property of the fuel
itself, it can be relied upon to limit power excursions without the need for mechanical
intervention via the adjustment of control rods or some other similar mechanism.
It has been noted in other works that the Doppler coefficient is the most significant
source of uncertainty (approx. 15%) in transients designed to emulate the effects of
an RIA in the Pressureized Water Reactor (PWR) fleet. The only known experimental
measurements of the Doppler coefficient in a Zero Power Reactor (ZPR) took place in
the Minerve reactor at Cadarache circa 1980. Those measurements, made by the oscil-
lation of a heated fuel sample inserted into the core, only extend up to about 800 ° C,
far below the temperatures expected of an RIA, where the inner fuel temperature can
reach up to 2000° C. As such, it has been decided that a preliminary work based on
coupled neutronics/thermomechanics simulation should be performed in order to
verify the feasability and viability of a modern suite of experiments to measure the
Doppler coefficient at temperatures up to the limits of what heated sample material
properties will allow.
This PhD work intends to provide that preliminary analysis, beginning with an explo-
ration of the state of the art in Doppler broadening and the kernels available in Monte
Carlo neutron transport codes for simulating the special case of the elastic scattering
interaction. It was found that the different scattering models can cause substantial
differences in the extracted Doppler coefficient. A study of the thermomechanical
behavior of typical Low-Enriched Uranium (LEU) fuel pins was next performed. This
study, via the COMSOL multiphysics code, resulted in the identification of several
key high-temperature experimental parameters which must be taken into account,
namely that the typical Zircaloy cladding material needs to be replaced with some
other material (Niobium is likely the best candidate) and also that any oscillation type
experiment must be performed under vacuum to minimize the rate of heat loss from
the sample druing the oscillation phase. This was followed by a series of full-core
neutronics simulations in a generic ZPR-esque lattice. It was found that the expected
uncertainties at temperatures above approximately 1400K prevent the collection of
statistically meaningful data higher than that temperature for 20cm fuel samples. The
cutoff temperature for shorter samples (10cm) was found to be approximately 900K,
below the upper limit of the aforementioned Minerve experiments. Following that, a
series of point reactor dynamic calculations were performed in order to quantify the
expected performance of the oscillation experiments under representative transient
conditions. Additionally, there was an attempt at extracting the Doppler coefficient via
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the divergence technique wherein the reactivity is retrieved via the Inhour equation.
This resulted in assumed uncertainties that are, at best, comparable to the results of
using the typical oscillation method. In the high temperature region, this alternate
method performed substantially worse.
In summary, it was found that, even under the best conditions, it is likely that
statistically meaningfully measurements of the Doppler coefficient can only attained
up to approximately 1400K and, of the two methods simulated for the extraction of it,
the classical oscillation method is likely to be the superior choice.