Coupling between Monte Carlo neutron transport and thermal-hydraulics for the simulation of transients due to reactivity insertions

par Margaux Faucher

Thèse de doctorat en Énergie nucléaire

Sous la direction de Andrea Zoia et de Emmanuel Gobet.

  • Titre traduit

    Couplage entre la simulation neutronique Monte-Carlo et la thermo-hydraulique pour les transitoires liés à des insertions de réactivité


  • Résumé

    Dans le contexte de la physique des réacteurs, l’analyse du comportement non stationnaire de la population neutronique avec contre-réactions dans le combustible et dans le modérateur se rend indispensable afin de caractériser les transitoires opérationnels et accidentels dans les systèmes nucléaires et d’en améliorer par conséquent la sûreté. Pour ces configurations non stationnaires, le développement de méthodes Monte-Carlo qui prennent en compte la dépendance en temps du système neutronique, mais aussi le couplage avec les autres physiques, comme la thermohydraulique et la thermomécanique, a pour but de servir de référence aux calculs déterministes.Ce travail de thèse a consisté à mettre en place une chaîne de calcul pour la simulation couplée neutronique Monte-Carlo, avec le code TRIPOLI-4, en conditions non stationnaires et avec prise en compte des contre-réactions thermohydrauliques.Nous avons d'abord considéré les méthodes cinétiques dans TRIPOLI-4, c'est-à-dire avec prise en compte du temps mais sans prise en compte des contre-réactions, en incluant une évaluation des méthodes existantes ainsi que le développement de nouvelles méthodes. Ensuite, nous avons développé un schéma de couplage entre TRIPOLI-4 et le code de thermohydraulique sous-canal SUBCHANFLOW. Enfin, nous avons réalisé une analyse préliminaire de la propagation des incertitudes au sein du calcul couplé sur un modèle simplifié. En effet, les fluctuations statistiques sont inhérentes à notre schéma de par la nature stochastique de TRIPOLI-4. De plus, les équations de la thermohydraulique étant non-linéaires, la propagation des incertitudes au long du calcul doit être étudiée afin de caractériser la convergence du résultat.


  • Résumé

    One of the main issues for the study of a reactor behaviour is to model the propagation of the neutrons, described by the Boltzmann transport equation, in the presence of multi-physics phenomena, such as the coupling between neutron transport, thermal-hydraulics and thermomecanics. Thanks to the growing computer power, it is now feasible to apply Monte Carlo methods to the solution of non-stationary transport problems in reactor physics, which play an instrumental role in producing reference numerical solutions for the analysis of transients occurring during normal and accidental behaviour.The goal of this Ph. D. thesis is to develop, verify and test a coupling scheme between the Monte Carlo code TRIPOLI-4 and thermal-hydraulics, so as to provide a reference tool for the simulation of reactivity-induced transients in PWRs.We have first tested the kinetic capabilities of TRIPOLI-4 (i.e., time dependent without thermal-hydraulics feedback), evaluating the different existing methods and implementing new techniques. Then, we have developed a multi-physics interface for TRIPOLI-4, and more specifically a coupling scheme between TRIPOLI-4 and the thermal-hydraulics sub-channel code SUBCHANFLOW. Finally, we have performed a preliminary analysis of the stability of the coupling scheme. Indeed, due to the stochastic nature of the outputs produced by TRIPOLI-4, uncertainties are inherent to our coupling scheme and propagate along the coupling iterations. Moreover, thermal-hydraulics equations are non linear, so the prediction of the propagation of the uncertainties is not straightforward.


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