Le couplage thermohydraulique/neutronique FLICA4/TRIPOLI4 S. Aniel-Buchheit (CEA) Email : saniel@cea.fr
Le couplage thermohydraulique/neutronique FLICA4/TRIPOLI4 Contexte du développement: L étude des Réacteurs à Eau Super- Critique(RESC) Intérêts du couplage FLICA4/TRIPOLI4 Contraintes imposées par le contexte d étude et les codes en présence Description du couplage: solutions techniques et schéma des échanges Etat actuel du développement
Le concept du RESC s appuie sur l efficacité thermique élevée de l eau autour du point pseudo-critique. Plusieurs concepts, rapides et thermiques, sont actuellement envisagés. Ils ont tous un point de fonctionnement en eau supercritique identique : pression de 25 MPa et température de sortie du cœur de 550 C permettant un rendement thermodynamique de 44%.
Pression (bar) 1000 100 10 1 0,1 0,01 0,001 Solide Liquide Courbe de Vaporisation Point triple Vapeur Point critique "Supercritique" -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Temperature ( C) Diagramme Pression-Température de l eau 2,E-07 2,E-07 1,E-07 1,E-07 1,E-07 8,E-08 6,E-08 4,E-08 2,E-08 0,E+00 Diffusivité (m 2 /s) Thermique 250 bar Thermique 300 bar Viscosité 250 bar Viscosité 300 bar 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 Temperature ( C) Variation des diffusivités en fonction de la température 700 600 Masse volumique (kg/m 3 ) 300 250 T=300 C T=375 C 500 400 300 230 bar 250 bar 300 bar P (bar) 200 150 C 200 100 0 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 Temperature ( C) 100 50 A D B 0 0,00025 0,0005 0,00075 V (m 3 /mol) Variation de la masse volumique en fonction de la température Isothermes de Van der Waals en diagramme de Clapeyron Propriétés de l eau super-critique
Attraits de l eau super-critique : Diminution de la diffusivité thermique autour du point pseudo-critique + viscosité cinématique constante Maximum du nombre de Prandlt bon coefficient d échange thermique : au voisinage du point pseudo-critique l eau est un bon caloporteur : une faible quantité de caloporteur nécessaire : Compacité des installations Possibilité d avoir des spectres rapides De hautes pressions et des températures de sortie élevées bon rendement) Unicité du volume à pression donnée absence d état métastable Absence de crise d ébullition Pas de changement de phase (moins d instabilités purement thermohydraulique)
Difficultés liées à l utilisation de l eau super-critique : Des propriétés variant rapidement autour de la température pseudo-critique d où une instabilité N/Th potentielle (accentuée par l absence de crise d ébullition). Une grande variation de la densité du modérateur pour de faibles variations de la température d où de fortes hétérogénéités radiales et axiales un fort couplage N/Th Une détérioration des échanges pour certains couples (flux de chaleur, débits) qui est encore mal appréhendée mais qui n atteint pas le niveau de détérioration de la crise d ébullition Température limite de gaine proche de la température de gaine maximale en fonctionnement normal (inacceptable au regard des incertitudes actuelles) Mauvaise connaissance des propriétés thermohydrauliques (forte incertitude sur l évaluation de concept) Point de vue mécanique, apparition de sifflement, vibration lié au condition de fonctionnement
Intérêt du couplage FLICA4/TRIPOLI4 Il existe un fort couplage 3D neutronique/thermo-hydraulique. Le couplage du code de thermohydraulique 3D FLICA4 et du code de neutronique 3D TRIPOLI4 répond à l exigence de couplage 3D. La présence, au sein d un même assemblage, d un panel très large de spectres neutroniques remet en question l utilisation des codes de neutronique déterministes standard permettant un calcul 3D. L utilisation du code de Monte-Carlo Tripoli4 permet de s affranchir d une mise en groupe hasardeuse des sections (en allongeant en contrepartie les temps de simulation). TRIPOLI4 ne nécessite aucune modélisation ni maillage de la géométrie physique Cela facilite le couplage et permet une parfaite représentation neutronique de géométries complexes L outil de calcul 3D que constitue le couplage de FLICA4/TRIPOLI4 est donc considéré comme un outil de référence pouvant servir à l élaboration d outils de calcul entièrement déterministes moins coûteux
Contraintes imposées par le contexte d étude et les codes en présence Être opérationnel (seules quelques légères modifications sont autorisées) pour un large panel de dessins d assemblage (le concept du RESC n est pas encore fixé), Être pérène Être capable de générer des bibliothèques ponctuelles pour les températures rencontrées lors des simulations (élimine un risque de non convergence du calcul couplé), Être capable d effectuer un calcul couplé convergé en un temps raisonnable (un grand nombre de calculs devra être lancé), Être capable de contrôler la convergence de TRIPOLI4 pour des géométries très hétérogènes (abandon du contrôle de la convergence sur des zones de faible importance ) Être capable d établir la convergence du calcul couplé en prenant en compte le caractère stochastique du code TRIPOLI4 (compatibilité des exigences de précision sur le calcul couplé et sur le calcul tripoli4).
Description du couplage: solutions techniques et schéma des échanges Définition d une source unique de données technologiques grâce à l utilisation d Objects Technologiques définis en python (langage orienté objet) et developpés dans le cadre de NEPTUNE (co-développement EDF-CEA ). Utilisation du langage Python pour toutes les opérations externes aux codes FLICA4 et TRIPOLI4 : construction des jeux de données, construction des bibliothèques TRIPOLI4, lancement des codes, extraction des données physiques des fichiers résultat des codes, échange des données physiques, Parallelisation de TRIPOLI4 pour atteindre un temps de simulation raisonnable. Définition des tests de convergence et contrôle de la convergence de TRIPOLI4 en prenant en compte son caractère stochastique et l existence d hétérogéneités spatiales (importance neutronique de chaque région).
obrève description des Objects Technologiques dans leur version spécifique au couplage FLICA4/TRIPOLI4: odéfinition d un classe python nommé TechnologyObject générique dont dériverons tous les objects technologiques utilisés pour la description physique d un réacteur. oses attributs de base sont : oname: nom oshape: forme géométrique (défaut: aucune) omaterial: matériau (défaut: aucun) omaterialstates : liste d objets «materialstate» contenant la description de l état du matériau qui compose l objet technologique ocomponents: liste d objets technologiques avec leur positions et orientations relatives par rapport à l objet de base (une position est donnée par un repère,i.e, une origine et une base de vecteur) ocomment: commentaire quelconque sur l objet sous forme de chaîne de caractère o Différentes méthodes sont implémentées dans chaque classe d objet technologique de manière à accéder aux informations ou à les modifier. Par exemple la méthode add_component ajoute un objet à une liste de positions et orientations données
Objet Technologique (Données physiques : description de la géométrique et des matériaux (propriétés et état initial) Données de modélisation de l utilisateur (Critères pour le maillage automatique de FLICA4, conditions aux limites, niveau de puissance ) Construction des fichiers de données FLICA4 Maillage FLICA4 Exécution de FLICA4 Données thermohydrauliques Construction du jeu de données TRIPOLI4 Construction du nouveau fichier puissance FLICA4 Carte de puissance Exécution de TRIPOLI4 Exécution de FLICA4 Carte de puissance non Données thermohydrauliques Test de convergence oui Résultats finaux Carte de puissance Nouvelle description des matériaux TRIPOLI4 Exécution de TRIPOLI4
Difficulté principale de la mise au point du couplage La volonté de rendre ce couplage générique a rendu délicate la gestion des informations relatives à la phase de génération des jeux de données : le processus d écriture des jeux de données doit être indépendant de la géométrie de l objet physique décrit. Il doit permettre de remonter aux données de base ayant servi à l élaboration des jeux de données. De manière à pouvoir retranscrire les résultats en données physiques exploitables par l autre code. Il a fallu créer des structures de stockage d informations sur le processus de création des jeux de données pour assurer une traduction parfaite des informations fournies par les codes Ci-après sont fournis 2 exemples montrant la nécessité de telles structures:
Correspondance crayon combustible-structure combustible FLICA4 Correspondance à conserver : ¼ nord-est de de position (a,b) = partie de la structure combustible 9 incluse dans le canal 16 13 14 15 16 (-a,b) (0,b) (a,b) 7 8 9 9 10 11 12 (-a,0) (0,0) (a,0) 4 5 6 5 6 7 8 (-a,-b) (0,-b) (a,-b) 1 2 3 1 2 3 4 Géométrie physique Géométrie FLICA4
Intersection géométrie physique/maillage FLICA4 Géométrie physique Géométrie FLICA4 (-a,b) (0,b) (a,b) 13 14 15 16 9 10 11 12 (-a,0) Tube guide (0,0) (a,0) 5 6 7 8 (-a,-b) (0,-b) (a,-b) 1 2 3 4 (-a,b) (0,b) (a,b) Correspondance à conserver (-a,0) Tube guide (0,0) (a,0) (-a,-b) (0,-b) (a,-b) Géométrie TRIPOLI4
Etat actuel du développement du couplage Tous les briques de développements ont été construites et testées individuellement. Le couplage en est dans sa phase finale de test qui dépend de la mise à disposition des moyens de calcul parallèle du CEA (CCRT ou AUTRE)