Simulation Monte Carlo de la fonction de transfert d’un réacteur nucléaire pour l’exploitation de mesures de bruit neutronique

Monte Carlo simulation of reactor transfer function to improve neutron noise measurement analysis

• Auteur / Autrice : Nicolas Guillevic
• Direction : Christian Jammes
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : MEP - Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 07/11/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA Cadarache - fusion (IRFM pour ED 352)
• Jury : Président / Présidente : Elsa Merle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Jammes, Adrien Bidaud, Andrea Zoia, Jean-Luc Lecouey, Christophe Demaziere, Mathieu Hursin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Andrea Zoia, Mathieu Hursin

Mots clés

Mots clés libres

Fonction de transfert

Physique des réacteurs

Neutronique

Traitement du signal

Neutrons retardés

Reactor physics

Transfert function

Signal processing

Delayed neutrons

Neutronics

Résumé

Pour mener à bien ses stratégies énergétiques et de défense, la France choisit aujourd'hui de renouveler son parc électronucléaire et de continuer à investir dans les technologies de ce domaine. Les acteurs de la R&D du nucléaire, dont le CEA, y participent en apportant une expertise, notamment sur le pilotage et la sûreté des réacteurs nucléaires. C'est dans ces thématiques que s'inscrit cette thèse qui porte sur la théorie et la simulation du bruit neutronique à puissance nulle. L'analyse de ce bruit présent dans les signaux de taux de comptage d'un réacteur à faible puissance permet d’estimer un paramètre essentiel de la dynamique des réacteurs, la fraction effective de neutrons retardés. L’objectif général de cette thèse est de préciser les hypothèses et de lever les imprécisions de définition des formulations utilisées dans les mesures de bruit. In fine, cela permet d'élever la confiance des résultats expérimentaux obtenus. La problématique de cette thèse a notamment pris source dans le fait que de nombreuses publications ne tiennent pas compte d’une correction spatiale du bruit – le facteur de Diven spatial – pourtant non négligeable par rapport aux incertitudes cibles. Premièrement, un état de l’art et un approfondissement des expressions théoriques du bruit neutronique à puissance nulle sont réalisées. Le sujet de recherche est effectivement dense de par ses nombreuses approches et il entremêle de multiples domaines scientifiques : neutronique, traitement du signal, probabilités et plus largement statistique. Dans un second temps, une maquette numérique Monte Carlo est optimisée pour générer des signaux temporels et analogues de bruit neutronique. Elle est ensuite confrontée aux expressions de l'état de l'art. On interprète alors les écarts entre les paramètres cinétiques fixés en amont du calcul et ceux qui sont estimés à partir de signaux par les méthodes numériques (fonction de corrélation dérivée de Rossi-alpha, rapport variance sur moyenne par Feynman-alpha, densité spectrale de puissance par Cohn-alpha). Ces méthodes sont développées à partir de différents modèles théoriques (approche heuristique, approche par fonction de Green de la théorie du bruit, approche directe ou rétrograde de Kolmogorov de la théorie des probabilités). Les résultats tangibles obtenus démontrent l'influence du facteur de Diven spatial dans l'étude du bruit de pile. La thèse fournit également des comparaisons, des préconisations ainsi que des pistes de réflexion en ce qui concerne les différents modèles théoriques, les méthodes d'estimation, ou bien encore les configurations de mesures employées dans les réacteurs. Tout cela permet concrètement de fournir de meilleures méthodologies d’estimation des paramètres cinétiques et de préparer un terrain périlleux pour d'autres études.

To successfully carry out its energy and defense strategies, France has chosen to renew its nuclear power plant fleet and continue investing in technologies in this field. Nuclear R&D actors, including the CEA, contribute by providing expertise, particularly in reactor control and safety. This thesis focuses on the theory and simulation of zero-power neutron noise. The noise analysis through counting rate signals in a low power nuclear reactor allows for the estimation of a crucial parameter in reactor dynamics, the effective delayed neutron fraction. The overall objective of this thesis is to clarify assumptions and address inaccuracies in the formulations used in noise measurements, ultimately enhancing confidence in experimental results. The problematic of this thesis is born particularly because many publications overlook a spatial correction of noise – known as the spatial Diven factor – which is significant compared to target uncertainties. Initially, a state-of-the-art review and a deepening of theoretical expressions of zero-power neutron noise are performed. The research topic is dense due to its numerous approaches and intersects multiple scientific domains: neutronics, signal processing, probabilities, and statistics. Subsequently, an optimized Monte Carlo numerical model is used to generate temporal and analogous signals of neutron noise, which are compared against state-of-the-art expressions. Discrepancies between fixed kinetic parameters and those estimated numerically are interpreted using various theoretical models (Rossi-alpha derived correlation function, Feynman-alpha variance-to-mean ratio, Cohn-alpha power spectral density), employing different approaches (heuristic approach, Green's function approach in noise theory, direct or retrograde Kolmogorov approach in probability theory). The tangible results obtained demonstrate the influence of the spatial Diven factor in pile noise study. The thesis also provides comparisons, recommendations, and reflections on various theoretical models, estimation methods, and measurement configurations used in reactors. These contributions concretely facilitate the development of improved methodologies for estimating kinetic parameters and pave the way for even more studies.