Soutenance de thèse de Matthieu LEBRETON

Le réacteur Jules Horowitz est un réacteur d’irradiation technologique en construction en 2020 sur le centre CEA de Cadarache. Son objectif principal est de permettre l’étude du comportement de matériaux et de combustible sous irradiation. Le flux intense généré dans ce réacteur permet de faire subir expérimentalement aux échantillons étudiés un vieillissement accéléré. Il permettra de tester des matériaux avancés sous irradiation pour les nouvelles générations de réacteurs nucléaires (GEN-III et GEN-IV), ou les générations actuelles (GEN-II). Ce réacteur fortement hétérogène, et sans motif simple répétitif, atteint les limites de modélisation de la méthodologie en 2 étapes utilisée usuellement pour résoudre l’équation de Boltzmann afin d’en calculer les performances d’irradiation et les paramètres de fonctionnement. Dans cette thèse, on a développé un nouveau schéma de calcul qui décrit explicitement les hétérogénéités du cœur. Ce schéma de référence est conçu avec le code APOLLO3. Ce code est une plateforme de calcul neutronique déterministe multifilière en développement au CEA. Elle apporte des options avancées pour le calcul déterministe. Il est notamment possible de réaliser des calculs réseau et des calculs cœurs au sein d’un même environnement. Le schéma de calcul développé est basé sur la méthodologie en 2 étapes améliorées par la définition de clusters à l’étape réseau afin de mieux prédire l’environnement des milieux sous-critiques et aussi par la représentation explicite de certaines hétérogénéités à l’étape cœur. Ce schéma a été validé à l’aide de calculs étalon en Monte-Carlo TRIPOLI4 et de calculs de quantification des approximations avec des options non standards d’APOLLO3 comme le calcul cœur MOC-2D ou le MOC-3D. Les travaux sur l’étape réseau ont permis de définir un calcul d’autoprotection précis basé sur la méthode des sous-groupes et tenant compte des spécificités physiques des assemblages. Le calcul réseau est réalisé avec la méthode des caractéristiques (MOC-2D) pour le flux et les probabilités de collision exactes pour les sections efficaces décrites par des tables de probabilité. Cette méthode plus performante a été améliorée en étendant le découpage énergétique SHEM au domaine thermique. Cette extension permet de mieux tenir compte des résonnances les plus thermiques du domaine énergétique et ainsi de réduire fortement les biais sur les taux de réactions dans ce domaine. Ces améliorations sont importantes pour les assemblages possédant une barre de contrôle en Hafnium insérée ; l’Hafnium présentant des résonnances larges et diffusantes à l’énergie épi-thermique. Le calcul cœur en évolution du RJH s’effectue directement par la résolution de l’équation du transport avec le solveur MINARET qui utilise la méthode des éléments finis discontinus de Galerkin. Cette méthode est naturellement adaptée à des géométries non structurées définies par plan et pour lesquelles il n’existe peu ou pas de symétrie, comme pour la géométrie du RJH. Finalement, une modélisation 3D du cœur du RJH préservant des hétérogénéités comme les dispositifs expérimentaux, les plaques combustibles ou autres structures du cœur permet de déterminer aussi précisément que possible les taux de réactions sur une géométrie exacte et ceci au cours de l’évolution. Le nouveau schéma APOLLO3-RJH® mis en place au cours de cette thèse a des capacités du point de vue exécution et précision qui vont au-delà de ce qu’il était possible de faire avec un schéma déterministe APOLLO2-CRONOS2 et en calcul Monte Carlo TRIPOLI4 si on considère les aspects évolution du cœur. De plus, APOLLO3-RJH® permet de caractériser précisément les barres de contrôle du réacteur quelle que soit leur degré d’insertion ainsi que les dispositifs expérimentaux « groupés » contenant 3 groupes de 3 dispositifs expérimentaux simples.

Jules Horowitz Reactor (JHR) is a material testing reactor under construction at CEA Cadarache research center. Its main goal is to study material or fuel behavior under irradiation. The intense flux generated in this reactor allows the experimental samples being studied to undergo accelerated aging. It will allow studying advanced materials under irradiation for new generations of nuclear reactors (GEN-III and GEN-IV) or for current generation (GEN-II). The highly heterogeneous core of this reactor, without simple repetitive pattern, meets the limits of the two-steps methodology usually used to solve the Boltzmann equation in order to calculate the irradiation performance and operating parameters. During this PhD thesis, a new neutronic scheme has been set up to explicitly describe core heterogeneity. This reference scheme is designed with the APOLLO3 code. This code is a neutronic deterministic calculation platform under development at CEA for computing any type of reactors. In particular, it incorporates advanced options for deterministic calculation. It is possible to perform lattice and core calculations into a same environment. The JHR neutronic scheme is based on a two-steps methodology. This methodology is improved with clusters during the lattice step to better account for the surroundings in order to better predict the environment of subcritical sub-assemblies and also by using explicit representation of some heterogeneities at the core stage. This scheme has been validated using standard Monte-Carlo calculations using TRIPOLI4 and by quantifying approximations with non-standard options of APOLLO3 such as the MOC-2D or MOC-3D core calculation. A precise self-shielding taking account physics specificities of fuel sub-assemblies is used at the lattice step. During this step, flux calculation are performed with the method of characteristic MOC-2D while exact collision probabilities are used for cross sections described with probability tables. Self- shielding treatment is led with subgroups method in case of fine structure method. This more efficient method has been improved by adding new groups to the SHEM energy scheme in the epithermal energy domain. This extension allows a better description of the resonances of this energy domain. It also strongly reduces bias on reaction rates in this energy region. These improvements are important for fuel elements hosting hafnium control rods; hafnium isotopes having some wide scattering resonances. The core calculation of the JHR is carried out by solving the transport equation with the MINARET solver, which uses the discontinuous GALERKIN finite element method. This method is naturally suitable for unstructured geometries defined with plans and without symmetry as it is the case for the JHR geometry. Finally, a 3D calculation of JHR core can preserve heterogeneities like experimental devices, fuel plates or other core structures and hence allows determining as precisely as possible depleted reaction rates on an exact geometry. The new APOLLO3-JHR® scheme set up during this PhD thesis improves capabilities in terms of accuracy and execution. These capabilities are beyond that was possible to do with the APOLLO2-CRONOS2 deterministic scheme. It is also beyond Monte-Carlo TRIPOLI4 calculation if core depletion aspects are considered. In addition, APOLLO3-JHR® allows precise characterizing of control rods regardless of their degree of insertion into the core. It also enables characterizing of grouped experimental devices containing three groups of three simple experimental devices.