Modélisation d'un scénario d'insertion de réactivité dans un réacteur à sel fondu de génération IV

Modeling a reactivity insertion scenario in a generation IV molten salt reactor

• Auteur / Autrice : Thibault Le Meute
• Direction : Frédéric Bertrand, Elsa Merle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique
• Date : Soutenance le 23/11/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Davoust
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Axel Laureau, Florian Vaïana, Laura Matteo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Rimbert, Andrei Rineiski

Mots clés

Mots clés libres

Réacteur aux sels fondus

Insertion de réactivité

Compressible

Incompressible

Calcul système

Compressibility

Molten salt reactor

Reactivity insertion

Incompressibility

System scale calculation tool

Résumé

Dans ce travail de thèse, les accidents d'insertion de réactivité sont étudiés dans différentes versions du MSFR (Molten Salt Fast Reactor). Pour atteindre cet objectif, une méthodologie top-down, c'est-à-dire, basée sur les physiques en jeu en postulant un accident grave et non sur les défaillances systèmes, est utilisée. Les réacteurs à sel fondu étudiés, ayant pour particularité d'avoir un combustible sous forme liquide, possèdent des potentialités de sûreté intrinsèques. En effet, la géométrie du combustible peut évoluer contrairement aux concepts à combustible solide vers une géométrie sous-critique optimisée qui permet le refroidissement du sel. Modifier la géométrie du sel combustible est l'objectif du système de vidange d'urgence. La vidange gravitaire du circuit combustible est activée pour protéger la cuve de hausses incontrôlées de température. Lors d'insertions de réactivité, la variation de température qui entraine une variation de densité est à l'origine de deux contre-réactions neutroniques. La contre-réaction Doppler est engendrée par la variation de température tandis que la contre-réaction en densité est causée par la variation de masse volumique. Cependant, lors d'une insertion de réactivité extrême (grande amplitude sur un temps court), la dilatation causée par la hausse rapide de température du sel dans la zone critique du circuit combustible est plus rapide que la vitesse du son dans le sel. La contre-réaction en densité agit alors faiblement, car le sel se comprime au lieu de se dilater. Le temps caractéristique de l'évolution de la population neutronique est beaucoup plus court que le temps de propagation de l'onde de pression qui permet de dépressuriser le réacteur. Deux grandes phases sont modélisées, la première prenant en compte la compressibilité du sel (qui demande beaucoup de ressources numériques) et la seconde ne la prennent pas en compte (ce qui demande moins de ressources). Cette séparation en deux outils a été motivée par l'objectif de réduction du temps de calcul et permet de modéliser tous types d'insertions de réactivité, extrêmes ou non. La contre-réaction en densité reste donc faible durant la phase compressible du transitoire. Seul l'effet Doppler s'oppose à l'insertion de réactivité, pour compenser la même insertion de réactivité, il faut donc que la température atteigne des valeurs beaucoup plus élevées. Ce travail consiste en un développement d'outil de calcul numérique pour la modélisation à l'échelle système du réacteur en supposant le fluide incompressible, puis la modélisation de sa compressibilité dans un outil dédié. Des calculs de comparaisons avec des expériences ou d'autres codes de calcul sur certains cas tests ont été réalisés avec chacun de ces deux outils pour vérifier leur bon fonctionnement. La modélisation de la compressibilité requiert des pas de temps de calculs numériques très courts ce qui rend impossible le calcul d'un transitoire complet compressible. Pour basculer d'un code à l'autre et prendre en compte la succession de phases compressibles et incompressibles d'un transitoire d'insertion de réactivité, un critère a été développé. Il est donc utilisé pour identifier les transitoires pour lesquels la modélisation de la compressibilité joue un rôle fondamental. Avec des insertions de réactivité de type marches, la compressibilité est importante dans de nombreux cas. Cependant ce type d'insertions de réactivité sont très peu réalistes. Pour des insertions de réactivité de type rampes (les plus réalistes) l'effet de la compressibilité est d'autant plus important que la puissance neutronique du réacteur est faible au début du transitoire. Des sensibilités au design du réacteur et à certains paramètres physicochimiques sont réalisées.

In this work, reactivity insertion accidents are studied in different versions of the MSFR (Molten Salt Fast Reactor). To achieve this objective, a top-down methodology, i.e., based on the physics involved in postulating a severe accident and not on the system failures, is used. The molten salt reactors studied, having the particularity of having a fuel in liquid form, have intrinsic safety potential. Indeed, the fuel geometry can evolve, contrary to solid fuel concepts, towards an optimised subcritical geometry which allows the cooling of the salt. Changing the fuel salt geometry is the objective of the emergency drain system. Gravity draining of the fuel system is activated to protect the vessel from uncontrolled temperature increases. During reactivity insertions, the temperature variation which leads to a density variation is at the origin of two neutron counter-reactions. The Doppler feedback is caused by the temperature variation while the density feedback is caused by the density variation. However, during an extreme reactivity insertion (large amplitude over a short time), the expansion caused by the rapid temperature rise of the salt in the critical zone of the fuel system is faster than the speed of sound in the salt. The density feedback then acts weakly, because the salt compresses instead of expanding. The characteristic time of the evolution of the neutron population is much shorter than the time of propagation of the pressure wave which allows depressurising the reactor. Two main phases are modelled, the first one taking into account the salt compressibility (which requires a lot of numerical resources) and the second one not taking it into account (which requires fewer resources). This separation in two tools was motivated by the objective of reducing the computation time and allows modelling all types of reactivity insertions, extreme or not. The density feedback remains low during the compressible phase of the transient. Only the Doppler effect opposes the reactivity insertion, to compensate the same reactivity insertion, the temperature must reach much higher values. This work consists of the development of a numerical tool for the modelling of the system scale of the reactor by assuming the incompressible fluid, then the modelling of its compressibility in a dedicated tool. Comparison calculations with other calculation codes in some test cases have been performed with each of these two tools to verify their proper functioning. The modelling of the compressibility requires very short numerical calculation time steps which makes it impossible to calculate a complete compressible transient. To switch from one code to the other and take into account the succession of compressible and incompressible phases of reactivity insertion transient, a criterion has been developed. It is therefore used to identify transients for which compressibility modelling plays a fundamental role. With reactivity insertions of the step type, the compressibility is important in many cases. However, this type of reactivity insertion is very unrealistic. For ramp type reactivity insertions (the most realistic) the effect of compressibility is all the more important as the neutron power of the reactor is low at the beginning of the transient. Sensitivities to the reactor design and to some physicochemical parameters are realised.