Méthodologie de couplage de la conception de cœurs avec les scénarios électronucléaires : application au cas des RNR-Na

Autor: Tirel, Kévin
Přispěvatelé: Institut de recherche sur les systèmes nucléaires pour la production d'énergie bas carbone (IRESNE), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Université Grenoble Alpes [2020-....], Elsa Merle, STAR, ABES
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Génie civil nucléaire. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2021. Français. ⟨NNT : 2021GRALI093⟩
Popis: Nowadays, the link between the design of reactor core and scenario studies is sequential. When it comes to sodium-cooled fast reactor (SFR), the design phase consists in defining its main parameters (geometry, power, irradiation time…) and in performing neutronic calculations with a limited number of plutonium vectors in order to assess the core performances. A set of numerical models are then produced and are used to find the plutonium content of fresh fuel and to perform irradiation calculation. The scenario, which goal is to simulate the dynamic evolution of a nuclear fleet, uses this set of models to reproduce at best the different inventories over time.With the current method, reactor numerical models used in scenario calculations are strongly linked to a given core. It is necessary to generate a complete new set of numerical models in the case of any core changes, which makes the core a fixed input instead of an adjustable parameter. There is currently no fixed SFR design in France, so it could be relevant to see the SFR as a flexible input for the scenario. From the scenario perspective, better results could be obtained by being able to change some SFR design parameters. From the design point of view, core trends that emerge from scenario calculations can be used as a starting point to converge towards a definitive core design that correctly answers the cycle needs. Moreover, the evolution of plutonium composition over time given by the scenario calculation can be used to assess SFR performances throughout its life. Based on these observations, a coupling methodology between core design and scenario calculations has been developed in order to fully explore these areas of improvement. This methodology relies on the use of a flexible SFR model compatible with the reference scenario calculations tool COSI that is able to represent a wide range of SFR cores.First, the flexible model is used in a static study of a mixed PWR-SFR fleet that stabilizes plutonium inventory. The purpose of this static study is to find SFR design trends that minimize SFR fraction in the fleet since SFR are expected to be more expensive than PWR. The study shows that large SFR breeder or break even cores are more suitable to reach the objective. Then, two dynamic studies are performed with COSI. The first one focuses on the deployment of a 100% SFR fleet starting from a fleet similar to the French one. We have found the minimum SFR core parameters values that make the trajectory viable. Afterwards, a second study about the deployment of a mixed PWR-SFR fleet has been done and has shown two main results. First of all, viable trajectories have been obtained with small SFR cores (power lower than 1000 MWth) for fleets with a small SFR fraction installed and that successfully stabilize plutonium inventory. This result shows that small cores are able to help for plutonium management in the long term. Secondly, SFR core trends have been found that make possible either fuel cycle closure or the deployment of a PWR-SFR mixed fleet with an installed SFR power lower than 35% In other words, by using flexible SFR models, we have been able to find core trends that are suitable for two distinct objectives. This means that these cores bring robustness to the scenario in front of uncertainty of the future fleet composition.
Il existe aujourd'hui au CEA un lien séquentiel entre le processus de conception de cœur de réacteur et les études de scénarios électronucléaires. Dans le cas d’un réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium (RNR-Na), la phase de conception consiste en la définition des caractéristiques du cœur (géométrie, puissance, temps d’irradiation…) puis en l’évaluation de ses performances à l’aide de calculs neutroniques réalisés avec un nombre limité d’isotopies différentes de plutonium. A l’issue de cette phase, un ensemble de modèles numériques du réacteur est généré et sert notamment à déterminer la teneur en plutonium du combustible neuf et à reproduire l'irradiation qui a lieu dans le cœur. Le scénario, dont le but est de simuler l’évolution dynamique d’un parc nucléaire, utilise cet ensemble de modèles pour reproduire au mieux l'évolution du bilan matière au cours du temps.Avec la logique actuelle, les modèles de réacteurs utilisés par le scénario sont liés à un cœur précis. Toute modification du cœur demande de générer un nouvel ensemble de modèles, faisant du cœur une donnée imposée au scénario plus qu’un paramètre ajustable à loisir. Dans la mesure où il n’existe pas de conception arrêtée en France pour les RNR-Na, il pourrait être pertinent de se servir du RNR-Na au cours des études de scénario comme d’un paramètre modifiable, au lieu de le voir comme une donnée imposée. Côté scénario, l’accès à des paramètres supplémentaires peut permettre l’obtention de meilleurs résultats concernant les objectifs du parc. Côté conception, les tendances de cœurs dégagées lors du calcul de scénario peuvent servir de base pour converger vers un cœur définitif qui répond aux besoins du cycle. De plus, l’intégralité de l’information de l’historique du combustible chargé en RNR-Na peut être utilisée pour évaluer les performances du RNR-Na à chaque instant de sa vie. Fort de ce constat, une méthodologie de couplage entre le calcul de conception de cœur et les calculs de scénarios électronucléaires a été mise en place afin d'exploiter ces axes d'amélioration dans le cas du RNR-Na. Cette méthodologie repose sur l’utilisation d’un modèle flexible de RNR-Na compatible avec l’outil de calcul de référence pour les scénarios COSI, et qui est capable de reproduire le comportement d’un large panel de cœurs différents.Ce modèle flexible est d’abord utilisé dans l’étude statique d’un parc mixte REP-RNR stabilisant l’inventaire en plutonium. Le but de cette étude est de trouver des tendances de cœurs de RNR-Na qui minimisent la fraction de RNR-Na dans le parc, dans la mesure où les RNR-Na auront vraisemblablement un coût plus élevé que les REP. Il ressort de cette étude que les grands cœurs surgénérateurs ou isogénérateurs répondent le mieux à cet objectif. Puis, des études dynamiques à l’aide de COSI sont présentées. Une première étude du déploiement d’un parc 100% RNR en partant d’un parc similaire au parc français a permis de trouver les caractéristiques minimales qu’un RNR doit avoir pour que cette transition soit réalisable. Puis, l’étude dynamique d’une transition vers un parc mixte REP-RNR a montré deux principaux résultats. Premièrement, des transitions viables au cours desquelles une faible fraction de RNR-Na d’une puissance inférieure à 1000 MWth est déployée et mènent à la stabilisation de l’inventaire en plutonium ont été trouvées, démontrant que des petits cœurs sont capables de participer efficacement à la gestion du plutonium sur le long terme. Deuxièmement, des tendances de cœurs permettant à la fois la fermeture du cycle et le déploiement d’un parc mixte REP-RNR avec une fraction de RNR-Na inférieure à 35% ont été mises en évidence. Autrement dit, l’utilisation d’un modèle flexible de RNR nous a permis de trouver des cœurs capables de servir pour deux états finaux différents d’un même scénario. Ces cœurs apportent donc de la robustesse au scénario face à une incertitude sur la composition du parc final.
Databáze: OpenAIRE
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