Développement d’une méthodologie de couplage thermo-hydraulique et thermomécanique pour l’évaluation du comportement sous irradiation des assemblages combustibles de RNR-Na

Development of a thermal-hydraulics/thermomechanics coupling model for the evaluation of the behavior of SFR fuel assemblies under irradiation

• Auteur / Autrice : Francisco Acosta
• Direction : Pablo Rubiolo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Soutenance le 15/10/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'études et de modélisations des systèmes LEMS (CEA Cadarache)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Lebon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emilie Ferrié, Benoit Perrin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Lebon, Emilio Baglietto

Mots clés

Mots clés contrôlés

Combustibles nucléaires

Irradiation

Réacteurs à neutrons rapides

Mots clés libres

Multiphysique

Couplage

Cfd

Fem

RNR-Na

Multi-Physics

Coupling

Cfd

Fem

Sfr

Résumé

Les faisceaux d'aiguilles des assemblages combustibles des réacteurs à neutrons rapides à caloporteur sodium (RNR-Na) se déforment au cours de leur irradiation, ce qui impacte l’écoulement du caloporteur et la distribution de températures dans l’assemblage, dont la connaissance est essentielle pour la démonstration de sûreté. De plus, les mécanismes à l’origine de cette déformation, à savoir le gonflement et le fluage thermique et d’irradiation, dépendent fortement de la température de la gaine du combustible, d'où l'existence d'un couplage entre les évolutions thermo-hydraulique et thermomécanique des assemblages. Par le passé, ce couplage a été négligé dans les simulations numériques, et une approche plus conservative a été privilégiée : les simulations thermo-hydrauliques étaient réalisées sans tenir compte de la déformation géométrique, et les distributions de températures résultantes étaient utilisées comme des données d'entrée pour les simulations thermomécaniques. L'objectif de cette thèse est de définir une méthodologie pour l'évaluation du comportement des assemblages combustibles de type RNR-Na sous irradiation en prenant en compte le couplage entre leurs évolutions thermo-hydraulique et thermomécanique.A cet effet, un nouveau couplage numérique a été développé entre le code industriel de dynamique des fluides numérique (CFD) STAR-CCM+ et DOMAJEUR2, code basé sur la méthode aux éléments finis, développé par le CEA et dédié à la modélisation du comportement thermomécanique des assemblages combustibles RNR-Na sous irradiation. Ce couplage a été réalisé par l'échange de la déformation de la gaine, calculée par DOMAJEUR2, et de son champ de températures, obtenu avec le modèle CFD qui prend en compte de manière explicite la déformation géométrique des aiguilles combustibles. De plus, les conditions aux limites thermo-hydrauliques utilisées dans les simulations CFD, comme le débit massique de sodium dans le faisceau, sont ajustées pour tenir compte de cette déformation.Cette méthodologie a été appliquée à des faisceaux respectivement de 7 et 19 aiguilles combustibles munies de fils espaceurs, avec des caractéristiques géométriques et des conditions aux limites représentatives des RNR-Na de quatrième génération, ont été analysés. Dans le cas des faisceaux combustibles fortement irradiés, les simulations couplées conduisent à une réduction significative de la déformation diamétrale des aiguilles combustibles, par rapport aux simulations non couplées, causée par la prise en compte de l'augmentation de la température de la gaine induite par la déformation. En raison de la déformation plus faible, la contrainte maximale de la gaine a été réduite. De plus, des simulations ont été menées afin de vérifier que, en situation de fonctionnement normal, la dépendance de la neutronique à l’évolution de la thermo-hydraulique et de la thermomécanique est faible. Enfin, une contribution à la validation de cette méthodologie de simulation couplée a été réalisée avec un benchmark numérique basé sur un outil de simulation couplé existant et en simulant l'irradiation d'un assemblage combustible expérimental. Contrairement à l'approche innovante développée dans le cadre de ce travail de thèse, l'outil de simulation existant utilise un modèle thermo-hydraulique simplifié et ne tient pas compte de l'impact de la déformation sur le débit massique du caloporteur, qui, selon les résultats de l'évaluation, a une importance majeure. La simulation de l'irradiation expérimentale a conduit à une déformation maximale de la gaine et un gradient de déformations en accord avec les grandeurs mesurées, bien que des limitations liées aux lois empiriques de gonflement utilisées dans DOMAJEUR2 pour le calcul du gonflement aient été identifiées. La reformulation de ces lois à l'aide de la méthodologie de simulation couplée développée constitue une perspective à ce travail de thèse.

The fuel pin bundles of Sodium-cooled Fast Reactors (SFR) undergo significant geometrical changes during their irradiation, which affect the coolant flow and temperature distributions in the fuel assemblies, the knowledge of which is essential for safety assessments. Moreover, as the mechanisms responsible for the deformation of the fuel bundles, namely the swelling and creep, strongly depend on the fuel cladding temperature, a coupling between the thermal-hydraulic and thermomechanical evolutions of the fuel assemblies exists. In the past, this coupling has been neglected, and a more conservative approach has been preferred. In this conservative approach, the thermal-hydraulic simulations are conducted without considering the geometrical deformation, and the resulting temperature distributions are used as input for the thermomechanical simulations. The objective of this thesis is to define a new methodology for the evaluation of the behavior of SFR fuel bundles under irradiation that considers the coupling between their thermal-hydraulic and thermomechanical evolutions.To this end, a new numerical coupling has been developed between the industrial Computational Fluid Dynamics (CFD) code STAR-CCM+ and DOMAJEUR2, a finite element code dedicated to the modeling of the thermomechanical behavior of SFR fuel assemblies under irradiation. The coupling has been implemented via the exchange of the cladding deformation, calculated by DOMAJEUR2, and its associated temperature field, obtained with a CFD model implemented in STAR-CCM+ that explicitly considers the geometrical deformation of the fuel pins. In addition, the thermal-hydraulic boundary conditions used in the CFD simulations, such as the sodium mass flow rate through the bundle, are also automatically adjusted to account for the deformation.Study cases consisting of bundles of 7 and 19 wire-wrapped fuel pins, with geometrical characteristics and boundary conditions representative of fourth generation SFRs, were analyzed in order to gain insight on the effects of the coupling. For highly irradiated fuel bundles, the coupled simulations were shown to lead to a significant reduction of the diametral strain of the fuel pins, with respect to non-coupled simulations, caused by the deformation-induced cladding temperature increase. Consequence of the lower deformation, the cladding maximal stress was also significantly reduced. Additionally, neutronic simulations were conducted in order to verify that, in nominal operational conditions, its coupling with thermal-hydraulics and thermomechanics is of minor importance. Finally, a contribution to the validation of the developed coupled simulation methodology was realized by performing a numerical benchmark against a preexisting coupled simulation tool, and by simulating the irradiation of an experimental fuel assembly. Unlike the novel approach developed in this work, the preexisting simulation tool employs a simplified thermal-hydraulic model and does not consider the impact of the deformation on the coolant mass flow rate, which was found to be of major importance. The simulation of the experimental irradiation yielded a maximal cladding deformation and deformation gradient that are in good agreement with the measured values, although limitations related to the empirical swelling laws employed in DOMAJEUR2 to compute the swelling were identified. The reformulation of these laws using the developed coupled simulation methodology constitutes a perspective of this work.