Diagnostic des vibrations coeur dans les réacteurs de 4 ieme génération par des techniques de bruit neutronique en puissance.

Developments and application of neutron noise diagnostics of sodium cooled fast reactors.

• Auteur / Autrice : Florian Zylbersztejn
• Direction : Christian Jammes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie mécanique
• Date : Soutenance le 16/10/2013
• Etablissement(s) : Grenoble en cotutelle avec Chalmers tekniska högskola (Göteborg, Suède)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Dosimétrie, Capteurs et Instrumentation LDCI (CEA Cadarache)
• Jury : Président / Présidente : Mohammad Asadzadeh
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Demazières
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Richard Sanchez, Jan-Lee Kloosterman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bruit électronique

Résonance neutronique

Mots clés libres

Vibrations cœur

Réacteurs de 4ieme génération

Bruit neutronique en puissance

Core vibrations

Sodium-cooled fast reactor

Résumé

Les r'{e}acteurs rapides refroidis au sodium (RNR) font partie des six designs s'{e}lectionn'{e}s par le forum international sur les r'{e}acteurs de quatri`{e}me g'{e}n'{e}ration (GIF), et la construction d'un d'{e}monstrateur technologique est pr'{e}vue en France. Le niveau de s^{u}ret'{e} des futurs RNR doit ^{e}tre '{e}quivalent `{a} celui de l'EPR. L'am'{e}lioration de la s^{u}ret'{e} passe '{e}galement par l''{e}tude de tous les sc'{e}narios incidentels possibles et la surveillance de leurs signes pr'{e}curseurs.Les d'{e}formations m'{e}caniques du coe ur peuvent avoir un impact n'{e}faste dans les RNR, tel que des variations impr'{e}vues de la puissance due `{a} l'augmentation de r'{e}activit'{e} en cas de compaction du coeur, ou la d'{e}t'{e}rioration excessive des mat'{e}riaux de structure. La surveillance de tels ph'{e}nom`{e}nes et de leurs '{e}ventuels signes pr'{e}curseurs est recommand'{e}. Cette surveillance peut s'op'{e}rer par des d'{e}tecteurs neutroniques plac'{e}s en cuve et hors cuve.La th`{e}se concerne l''{e}tude du bruit neutronique g'{e}n'{e}r'{e} par des d'{e}formations p'{e}riodiques des coe urs RNR, restreinte aux d'{e}formations de type 'compaction coe ur', dans lesquelles l''{e}paisseur de sodium inter assemblages fluctue par flexion des assemblages (les assemblages des RNR sont tenus par leur base). La th`{e}se a '{e}t'{e} r'{e}alis'{e}e en co-tutelle au sein de la collaboration entre le CEA (France) et l'Universit'{e} Chalmers (Su`{e}de).La th`{e}se a '{e}t'{e} organis'{e}e autour de plusieurs travaux cl'{e}s:newlineUn '{e}tat de l'art sur la surveillance des d'{e}formations du coe ur par l'interpr'{e}tation des mesures de bruit dans les RNR a '{e}t'{e} r'{e}alis'{e}. La base de donn'{e}es des mesures multi-physiques constitu'{e}e sur le r'{e}acteur PHENIX a '{e}t'{e} exploit'{e}e pour permettre l'interpr'{e}tation du bruit neutronique comme '{e}tant r'{e}v'{e}lateur d'un ph'{e}nom`{e}ne de vibration m'{e}canique. Ce travail a donn'{e} lieu `{a} une publication dans Annal of Nuclear Energy. Une des conclusions importante est de souligner le manque de connaissance th'{e}orique sur le bruit neutronique ainsi que le positionnement non adapt'{e} des d'{e}tecteurs comme '{e}tant les facteurs limitants des capacit'{e}s d'interpr'{e}tation des mesures post exp'{e}riences.La collaboration avec une '{e}quipe de l'Universit'{e} Chalmers a permis l'am'{e}lioration d'un code de calcul sp'{e}cialis'{e} dans le calcul du bruit neutronique (CORESIM). Ce travail a '{e}t'{e} r'{e}alis'{e} en commenc{c}ant par une prise en main d'une version ant'{e}rieure du code CORESIM utilis'{e} pour les r'{e}acteurs thermiques et l''{e}tude du bruit neutronique induit par les fluctuations statistiques de la temp'{e}rature du mod'{e}rateur. Ce travail a donn'{e} lieu `{a} une publication dans Annal of Nuclear Energy. J'ai ensuite particip'{e} `{a} l'adaptation du code CORESIM aux sp'{e}cificit'{e}s des r'{e}acteurs rapides et `{a} sa v'{e}rification sur un mod`{e}le pratique de coeur. Ce travail a donn'{e} lieu `{a} une publication dans Annal of Nuclear Energy.Le ph'{e}nom`{e}ne de compaction coe ur a '{e}t'{e} mod'{e}lis'{e} avec deux codes de calculs (ERANOS et CORESIM) et l'application directe sur le mod`{e}le de coe ur CP-ESFR. L'impact en r'{e}activit'{e} sp'{e}cifique au coe ur CP-ESFR a '{e}t'{e} estim'{e} pour deux mod`{e}les diff'{e}rents de d'{e}formation. Le bruit neutronique g'{e}n'{e}r'{e} par ces mod`{e}les de d'{e}formations p'{e}riodiques a '{e}t'{e} '{e}galement estim'{e}. La d'{e}pendance spatiale, '{e}nerg'{e}tique et fr'{e}quentielle du bruit neutronique calcul'{e} a '{e}t'{e} analys'{e}e et contribuera aux '{e}tudes de positionnement de la future instrumentation neutronique. La soumission d'une publication bas'{e}e sur ce travail est en cours.

The Sodium cooled Fast Reactor (SFR) is one of the six reactor types selected by the Generation-IV international forum (GIF), and the building of an industrial prototype is planned in France. The safety standard of the future SFR has to be equivalent to the EPR's. The general improvement of the safety of the new reactor goes through the examination of all the potentially harmful scenarios and both the study and monitoring of early signs.The mechanical deformations of the core can have harmful consequences in sodium fast reactors, such as unexpected power variations due to the reactivity increase in case of core compaction, or the excessive deterioration of the mechanical structures. The monitoring of such phenomena and of their potential early signs is then needed. The monitoring of such phenomena can be done with neutron detectors placed inside and outside the tank.This PhD thesis deals with the study of the neutron noise generated by the periodic deformation of the SFR core, restricted to the so-called core compaction or core flowering phenomenon, a deformation consisting in the variation of the inter-assembly sodium width by a radial bending the assemblies (the assemblies in SFR are held by the base). The PhD thesis has been performed within a collaboration between CEA (France) and Chalmers Institute of Technology (Sweden). The work realized during the thesis led to the publication of 3 articles as first author and another as second author.This work has embraced the following topics:newlineA state of the art of the monitoring of the core deformation phenomenon by interpretation of the noise measurements in SFR has been done. The PHENIX reactor multi physics measurements database has been scrutinized to provide an interpretation of the neutron noise bringing out a mechanical vibration phenomena. An important conclusion was that the lack of theoretical knowledge about the neutron noise induced by the vibration phenomenon and the ill positioning of the neutron detectors are the key points limiting the capacities of interpretation of noise measurements.The collaboration with the Chalmers team has allowed the improvement of a calculation code solving the neutron noise equations (CORESIM). The work has started with the use of an earlier version of CORESIM code for thermal reactors and the study of the noise induced by the statistical fluctuations of the coolant temperature. That work led to a publication in Annal of Nuclear Energy. I took part in the adaptation of the CORESIM code to the specificities of fast reactors and its application to a working version of an SFR.newlineThe modeling of the core flowering phenomenon and the direct application of the code on the CP-ESFR core case were carried out. The reactivity impact specific to the CP-ESFR core was calculated for two models of core deformations. The neutron noise induced by the modeled deformation has been then calculated. The energy, space and frequency dependence of the neutron noise has been analysed and will contribute to the instrumentation positioning question.It comes out that such a phenomena could be monitored by placing several detectors outside of the core along the same axial channel at several heights. It would also be doable to identify the noise signature by the axial noise profile. One can note that the relative noise is significantly higher at the top fuel height than in the lower fuel height. This work could be continued by designing a neutron instrumentation dedicated to the core monitoring using the proposed neutron noise technique.