Couplage neutronique, thermohydraulique et thermomécanique pour la modélisation des accidents de criticité dans des systèmes nucléaires

This thesis was developed within in the framework of the multi-scale and multi-physics models for the simulation of criticality accidents, carried jointly between the CNRS and the IRSN. A multi-physics and multi-scale approach aims to produce a numerical model taking into account all the relevant physical phenomena existing in nuclear systems as well as their coupling. This approach makes possible to improve the predictive capacities of the single physics models and to numerically study the behavior of a nuclear system under conditions that would be difficult to achieve or reproduce by experiments. The multi-scale / multi-physics approach is, therefore, particularly useful for the study of nuclear reactor criticality accidents, or more generally, for all nuclear systems where a tight coupling exists between neutronics, mechanics (of solids and fluids) and heat transfers.The objectives of the thesis were, firstly, to develop a new numerical scheme for the coupling between the neutronic code Serpent 2 (Monte Carlo code) and the Computational Fluid Dynamics (CFD) code OpenFOAM. Secondly, to develop the physical models that allow greater flexibility for criticality accidents studies in terms of type of transients, systems and phenomena considered. Among the various physical models developed during the work, it can be mentioned the transient neutronic models based on a quasi-static Monte Carlo approach and on the deterministic SP1 and SP3 methods. A porous medium model was also developed during the work to allow performing studies on nuclear systems containing a solid nuclear fuel cooled by a fluid. The numerical implementation of the multi-physics coupling was performed in C/C++ in the OpenFOAM code. This code is very well suited to numerically solve continuous mechanics problems using a finite volume method. It also provides very large library of CFD algorithms (RANS, LES et DNS). The thesis work specially focused on the study of the strategy to be followed to implement the quasi-static method numerically with a Monte Carlo type code in the same platform through internal coupling.The performances of the coupling and the developed models were studied for different scenarios and nuclear systems: the transient Godiva experiments, an international benchmark for multi-physics codes for Molten Salts Reactors and the case of a hypothetical criticality accident in a Boiling Water Reactor (BWR) spent fuel pool. These diverse scenarios and systems were selected because they are characterized by presenting a multitude of highly coupled physical phenomena which required a very careful modeling. One can mention: the Doppler and fuel density effects, the thermal expansion and thermomechanical stresses, the presence of laminar or turbulent flows in the coolant or liquid fuel, the delayed neutrons precursors convection, and the energy and mass transfers and the phase change in porous media. The different comparisons between the multi-physics tool and the available data show a very good agreement and confirm that the selected approach is pertinent for the study of criticality accidents and allows obtaining very good precision and flexibility while maintaining satisfactory computational costs.Cette thèse s’inscrit dans le cadre de travaux portant sur la mise au point de modèles multi-échelle et multi-physiques pour la simulation des accidents de criticité, menés conjointement par le CNRS et l’IRSN. L’approche multi-physique et multi-échelle a comme objectif de produire un modèle numérique prenant en compte tous les phénomènes physiques importants dans les systèmes nucléaires ainsi que leur couplage. Cette approche permet d’améliorer les capacités prédictives des modèles et d’étudier de manière numérique le comportement des composants d’un système nucléaire dans des conditions difficilement réalisables/reproductibles par des expériences. Elle est donc particulièrement utile pour l’étude des accidents de criticité, ou plus généralement, pour tous les systèmes nucléaires où de très forts couplages existent entre la neutronique, la mécanique (des solides et des fluides) et la thermique.Les objectifs de la thèse étaient, d’une part, de développer un nouveau schéma numérique de couplage entre le code neutronique Serpent 2 (code du type Monte Carlo) et le code OpenFOAM (code de mécanique des fluides numérique ou CFD) et, d’autre part, de développer des modèles physiques permettant une plus grande flexibilité dans les études des accidents de criticité en termes de type de transitoires, de systèmes et de variété de phénomènes. Parmi les modèles développés dans notre outil multi-physique on peut citer des modèles neutroniques transitoires du type quasi-statique Monte Carlo et déterministes SP1 et SP3. Un modèle thermo-hydraulique du type milieu poreux a été aussi mis en place pour les études des systèmes comportant du combustible solide entouré par un caloporteur. L’implémentation numérique du couplage multi-physique a été faite en C/C++ sur la plateforme OpenFOAM qui permet la résolution numérique de modèles de mécanique des fluides (RANS, LES et DNS), et plus généralement, de la mécanique des milieux continus, en utilisant la méthode des volumes finis. Le travail de thèse a porté par ailleurs sur l’étude de la stratégie à suivre pour implémenter numériquement la méthode quasi-statique avec un code de type Monte Carlo dans la même plateforme et a travers d’un couplage interne.Les performances du couplage et des modèles que nous avons développés dans la thèse ont été testées dans différents scénarios et systèmes nucléaires : expériences transitoires avec l’expérience Godiva, benchmark international entre codes multi-physiques d’un réacteur à sels fondus et scénarios hypothétiques d’accidents de criticité dans des piscines de combustibles des Réacteurs à Eau Bouillante (REBs). Ces divers scénarios et systèmes ont été choisis pour leurs nombreux phénomènes physiques couplés nécessitant une modélisation très précise : effet Doppler, expansion thermique et contraintes thermomécaniques dans le combustible, présence des écoulements laminaires ou turbulents dans le caloporteur ou le combustible liquide, convection des précurseurs de neutrons retardés et phénomènes de transfert de masse, transfert d’énergie et de changement de phase dans des milieux poreux. La confrontation des prévisions de l’outil multi-physique et des résultats disponibles s’avère très satisfaisante et montre que l’approche adoptée est très pertinente et adaptée aux particularités des études de criticité avec un niveau de précision et une flexibilité adéquate tout en présentant des coûts computationnels raisonnables