Neutronic modeling of pebble bed reactors in APOLLO2

• Auteur / Autrice : Maurice Grimod
• Direction : Richard Sanchez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isotopes

Monte-Carlo, Méthode de

Mots clés libres

Homogénéisation itérative

Géométrie multi-boulets

Coeur à l'équilibre

Résumé

Dans la thèse, une nouvelle technique itérative d'homogénéisation pour les réacteurs à lit de boulets est développée. Le modèle considère les différences spectrales, propres à chaque type de boulet, pour les calculs d'homogénéisation et d'évolution microscopique. La méthode développée dans le code de calcul neutronique apollo2 a été vérifiée par comparaison avec des simulations monte carlo de référence, avec tripoli4. Les résultats obtenus par le modèle apollo2 sont peu différents de la référence (moins de 100 pcm sur le keff, de ±4% sur la distribution des taux de production, avec une différence de 3% au point chaud). Ensuite, une première validation a été réalisée par rapport à la première divergence du prototype htr-10. Le nombre obtenu avec le nouveau modèle est seulement de 77 boulets en dessous de la valeur expérimental de 16890 boulets. Une méthode a ensuite été développée pour évaluer la composition du cŒur à l'équilibre, liée à la ré-circulation des boulets. La nouvelle méthode a été appliquée pour évaluer le biais associé à l'emploi d'un seul boulet de composition isotopique moyenne. Les différences spectrales entre les différents types de boulets étant en grande partie dues aux résonances du pu240, le biais est plus important quand le cŒur est chargé avec un combustible de pu, où on observe des écarts sur les distributions de puissances et les concentrations de ± 10%. Pour conclure, en se basant sur l'expérience accumulée au cea et avec la méthode développée ici, on pourrait monter un schéma itératif de calcul couplé neutronique - thermo-hydraulique, en calculant le cŒur 3d en diffusion et en associant à chaque région de spectre une géométrie multi-boulets.

In this thesis, we develop a new iterative homogenization technique for pebble bed reactors, based on a "macro-stochastic" transport approximation in the collision probability method. A model has been developed to deal with the stochastic distribution of pebbles with different burnup in the core, considering spectral differences in homogenization and depletion calculations. The developed method has been verified using reference monte carlo simulations of a simplified pbmr-400 model. The pebbles in this model are individually positioned and have different randomly assigned burnup values. The apollo2 developed method matches the reference core keff within ±i100 pcm, with relative differences on the production shape factors within ±4%, and maximum discrepancy of 3% at the hot spot. Moreover, the first criticality experiment of the htr-10 reactor was used to perform a first validation of the developed model. The computed critical number of pebbles to be loaded in the core is very close to the experimental value of 16890, only 77 pebbles less. A method to calculate the equilibrium reactor state was also developed and applied to analyze the simplified pbmr-400 model loaded with different fuel types. The potential of the apollo2 method was used to evaluate the bias committed by the average composition pebble approximation. The spectral differences between the pebbles being mostly linked to the resonance of pu240, this bias is important for the pu loaded core, where differences up to ±10% on the power shape factors and on the main nuclide densities are observed. Based on the accumulated experience at cea, a coupled neutronic-thermal hydraulic 3d core model of a pbr could be built.