Conception d'un outil de simulation d'activation neutronique à vocation industrielle basé sur les capacités de calcul Monte-Carlo 3D du logiciel RayXpert®

Conception of a neutron activation simulation tool for industrial usage based on the 3D Monte-Carlo calculation capabilities of the RayXpert® software

• Auteur / Autrice : Nicolas Dray
• Direction : Éric Suraud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/02/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique Théorique (Toulouse ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Phuong Mai Dinh
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Suraud, Jean-Marc Bordy, Xavier Franceries, Christophe Champion, Fabrice Piquemal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ziad El Bitar, Gérard Montarou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Radioactivité -- Mesure

Monte-Carlo, Méthode de

Mots clés libres

Activation neutronique

CAO

Monte-Carlo

Neutronique

R2S

Radiations

Nucléaire

Neutron Induced Activation

CAO

Monte-Carlo

Neutronic

R2S

Radiations

Nuclear

Résumé

La production de neutrons dans les installations nucléaires peut être à l'origine de la présence d'un débit d'équivalent de dose ambiante H*(10) (noté DeD) et ce même des mois après l'arrêt de la création de neutrons. En effet, les neutrons peuvent générer des noyaux radioactifs lorsqu'ils interagissent avec ceux-ci. Ces noyaux pourront alors émettre spontanément des particules ionisantes lors de leur décroissance. Ces particules représentant un danger potentiel à la fois pour les tissus biologiques et pour les composants électroniques, il est judicieux de prédire leur présence et quantité à travers des grandeurs macroscopiques telle que le DeD. Différentes méthodes existent pour simuler le DeD des matériaux activés par des neutrons. La méthode la plus utilisée est la méthode R2S (Rigorous-Two-Steps) utilisant un maillage virtuel superposé à la géométrie. Cette méthode associe un code de transport Monte-Carlo et un code d'inventaire isotopique afin de calculer le DeD. Le code Monte-Carlo calcule le flux neutronique dans le maillage défini par l'utilisateur pour prendre en compte les gradients de flux dans le modèle. Chaque étape du calcul du DeD nécessite des ressources numériques importantes et un délai significatif afin d'obtenir des résultats suffisamment précis. L'objectif de cette thèse est alors d'élaborer des techniques permettant de réduire les ressources nécessaires au calcul du DeD. Un outil d'analyse d'activation neutronique baptisé RayActive a alors été mis au point afin de répondre à cet objectif. RayActive utilise sur la capacité de calcul Monte-Carlo 3D du code de calcul RayXpert® ainsi que ses fonctionnalités de modélisation CAO. RayActive s'appuie sur une méthode R2S modifiée autorisant une identification quasi-exacte du volume des cellules contenues dans chaque voxel d'un maillage superposé. Cette identification est rendue possible par la définition de la géométrie du modèle basée sur de la CAO. De plus, RayActive est conçu comme un outil "tout-en-un" ne nécessitant aucun couplage de codes. RayActive a été mis au point dans le but d'être aussi facile d'utilisation que possible et pour que chaque partie du calcul soit optimisée afin de minimiser le temps de calcul. L'identification des cellules englobées dans les mailles permet d'augmenter la précision du calcul du flux neutronique. De plus, la parallélisation du transport Monte-Carlo a été améliorée grâce à la mutualisation des détecteurs. Un nouvel algorithme de calcul des inventaires isotopiques est également disponible. En effet, le système d'équations régissant l'évolution de l'inventaire isotopique est naturellement instable. L'algorithme de RayActive rend ainsi le calcul plus précis et réduit significativement le risque d'échec. Une méthode de biaisage des sources de décroissance radioactive est nativement présente dans RayActive et permet d'augmenter sensiblement les performances du calcul. Enfin, toutes ces fonctionnalités sont regroupées dans le même outil. RayActive permet ainsi de réduire les risques associés aux manipulations des fichiers d'entrée/sortie pour les différents codes de calcul utilisés dans les méthodes R2S classiques.

Neutron production in nuclear facilities can induce a SDDR (Shutdown Dose Rate) even after months and this even months after the neutron creation has been stopped. Indeed, neutrons can generate radioactive nuclei when they interact with them. These nuclei can then spontaneously emit ionizing particles during their decay. As these particles represent a potential danger for both biological tissues and electronic components, it is relevant to predict their presence and quantity through macroscopic quantities such as the SDDR. Different methods exist to simulate the SDDR of neutron activated materials. The most used method is the mesh-based R2S (Rigorous-Two-Steps). This method couples a Monte-Carlo code and an isotopic inventory code to compute the SDDR. The Monte-Carlo code computes the neutron flux on a user-defined mesh to take into account the neutron flux gradients in the cells. Each step of the SDDR calculation requires significant computational resources and time to obtain sufficiently accurate results. The aim of this thesis is then to create techniques to reduce the resources needed to compute the SDDR. A neutron activation analysis tool called RayActive was then elaborated to reach this objective. RayActive uses the 3D Monte Carlo calculation capability of the RayXpert® calculation code as well as its CAD modeling capabilities. RayActive is based on a modified R2S method with an almost exact identification of volume of cells enclosed in each voxel of a superimposed mesh. The CAD based geometry definition for the model makes possible this identification. Moreover, RayActive is designed as an "all-in-one" package without any other code coupling. RayActive is designed to be as easy to use as possible and each part of the computation has been optimized to minimize the computational time. The identification of the cells enclosed in voxels allows for increased accuracy in the calculation of the neutron flux. In addition, the parallelization of the Monte Carlo transport has been improved thanks to the mutualization of the detectors. A new algorithm for calculating isotopic inventories is also available. Indeed, the system of equations governing the evolution of the isotopic inventory is naturally unstable. The RayActive algorithm makes the calculation more accurate and significantly reduces the risk of failure. A method of biasing the radioactive decay sources is natively present in RayActive and allows to increase significantly the performances of the calculation. Finally, all these functionalities are grouped in the same tool and thus reduce the risks associated with the junction of calculation codes.