Analyse statistique des résultats de simulations numériques de situations accidentelles sur les réacteurs à eau pressurisée

par Alvaro Rollon de pinedo

Thèse de doctorat en MEP : Mécanique des fluides Energétique, Procédés

Sous la direction de Elsa Merle.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production , en partenariat avec Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie (laboratoire) .


  • Résumé

    Les études de sûreté nucléaire reposent de plus en plus sur l'utilisation de simulateurs numériques (notamment le code français thermohydraulique CATHARE2) capables de fournir la meilleure estimation possible des grandeurs physiques pertinentes pour l'évaluation de la sûreté des centrales nucléaires. Dans ce contexte, l'utilisation de ces codes présente des défis scientifiques liés au coût de calcul de chaque simulation, aux phénomènes physiques complexes (non linéaires) qui interviennent dans les transitoires nucléaires accidentels, ainsi qu'à l'incertitude associée des entrées, des modèles physiques du code et de ses sorties. Dans l'ensemble, l'analyse approfondie des transitoires nucléaires accidentels nécessite une connaissance du domaine par des ingénieurs spécialisés, et l'estimation des Quantités d'Intérêt (QoI) statistiques pertinentes liées à la sûreté nucléaire dépend d'outils avancés de Quantification des Incertitudes (UQ). Cette thèse développe des méthodes statistiques d'analyse des sorties de simulations d'accident nucléaires. La recherche d'outliers dans les ensembles de sorties disponibles fournit des informations concernant la détection de configurations pénalisantes dans les accidents nucléaires, permet d'effectuer des études de validation et facilite la tâche d'analyse des transitoires les plus pertinents. La première contribution principale de ces travaux est liée au domaine de la détection d'outliers fonctionnels. Nous présentons une méthodologie permettant la détection d'outliers fonctionnels de différents types (magnitude, forme), sans hypothèses préalables sur le processus de génération des données. Cette méthode est comparée à d'autres techniques existantes afin de justifier son utilisation dans l'analyse des sorties complexes fournies par le code CATHARE2. Nous proposons une méthodologie d'analyse physique systématique basée sur des outils avancés d'analyse de sensibilité (SA), simplifiant l'analyse des transitoires nucléaires en comparant les échantillons de sortie outlier et inlier. Enfin, les méthodologies développées sont appliquées avec succès à deux cas d'application de transitoires nucléaires accidentels. D'une part, nous analysons un Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP), démontrant comment les méthodologies proposées ont été capables d'identifier les incohérences physiques dans l'ensemble des sorties du code. D'autre part, un cas d'usage exploratoire d'un transitoire nucléaire conduissant à un choc thermique préssurisé (PTS), démontre la méthodologie dans les cas où les marges de sécurité sont obtenues comme résultat d'un chaînage de codes thermo-hydrauliques et mécaniques.

  • Titre traduit

    Statistical Analysis of the results of numerical simulations of accidental situations in Pressurized Water Reactors


  • Résumé

    Nuclear safety studies rely increasingly upon the use of numerical simulators (namely, the French thermal-hydraulic code CATHARE2) capable of providing the best possible estimation of the physical magnitudes relevant in the safety assessment of nuclear power plants. In this context, the use of these codes presents scientific challenges related to the computational cost of each simulation, the complex (non-linear) physical phenomena that intervene in accidental nuclear transients, as well as the associated uncertainty of the inputs, the physical models of the code, and its outputs. All in all, the in-depth analysis of accidental nuclear transients requires advanced knowledge of the domain by specialized engineers, and the estimation of relevant statistical Quantities of Interest (QoI) related to nuclear safety depends upon advanced Uncertainty Quantification (UQ) tools. We propose to extend the existing knowledge related to the analysis of nuclear accident simulations. Since the considered numerical simulator outputs take the form of functional objects, usually a one-dimensional mathematical field, they provide rich information when performing a safety study. Finding outliers in the available sets of outputs provides insights regarding the detection of penalizing configurations in nuclear accidents, allows to perform validation studies, and facilitates the task of analyzing the most relevant transients. The first main contribution of these works is related to the functional outlier detection domain. We present a methodology allowing the detection of functional outliers of different types (magnitude, shape), with no prior assumptions of the generating process of the data. This method is compared to available state-of-the-art techniques in order to justify its use when analyzing the complex outputs provided by the CATHARE2 code. Secondly, we propose a systematic physical analysis methodology based on advanced Sensitivity Analysis (SA) tools, simplifying the analysis of nuclear transients by comparing the inlying and outlying samples of outputs. Finally, the developed methodologies are successfully applied to two use-cases of accidental nuclear transients. On the one hand, we analyze a reactor-scale Intermediate Break Loss of Coolant Accident (IBLOCA), fully showcasing how the proposed methodologies have been capable of identifying physical inconsistencies in the set of outputs of the code. On the other hand, an exploratory use-case of a nuclear transient which may lead to a Pressurized Thermal Shock (PTS), demonstrates how the methodology remains helpful in cases where the safety margins are obtained as the result of a sequence of chained thermal-hydraulic and mechanical computer codes.