Caractérisation des Effets Spatiaux dans les Grands Coeurs RNR : Méthodes, Outils et Etudes

Fast Spectrum Nuclear Reactors are a long term solution for energy production, as they can be used to recyclePlutonium as well as utilize the entire stock of depleted Uranium. However, in order to raise the safety level of thistype of reactor to modern standards, innovative solutions have been applied to improve the natural behaviour of thecore during incidental transients by increasing the duration of the grace period, or core fusion safety margin. TheASTRID prototype (600 MWe) being studied at the CEA includes modifications to the assembly and core designs.The design choices favour neutron leakage in sodium coolant loss situations (low core sodium percentage, limitedheight, axial heterogeneities (plenum and internal fertile cover)). The consequences are positive with regard to areduction in the void effect. However, the core stability is affected, with an increased sensitivity of the powerdistribution to local (sodium density effects) or global (uncertainty propagation) disturbances. The object of this thesisis the study of these consequences.The first part of the thesis concerns the methods and tools used. The convergence of core “solvers” has been improvedin order to solve the Eigen-value problem associated with the neutron transport equation. The use of the Eigen-modesof this equation has highlighted correlations between parameters that are very synthetic (such as the separation of theEigen-values) and the increased sensitivity of certain core characteristics such as the power tilt. This first method hasshown its qualitative advantages but cannot precisely quantify the effects. This is why another method, coupled-coretheory, has been developed. It makes it possible to link the power distribution deformation to the descendants ofspecific fission reaction chains. In addition to several computational advantages, there is an improved understandingof the void effect for a heterogeneous core such as the CFV (Coeur à Faible Vidange). The last chapter concernssupportive studies of ASTRID’s CFV core that seek to reinforce the design choices that were made. The taking intoaccount all the sources of uncertainties (technological constraints linked to the position and thickness of the fertilecover, calculation scheme biases, nuclear data uncertainties) corroborates the design benefits gained from theheterogeneous CFV core.Les réacteurs nucléaires à neutrons rapides sont une solution à long terme pour la production d’énergie car ilsvalorisent le Plutonium et peuvent utiliser tout le stock de d’Uranium appauvri. Toutefois, afin d’élever le niveau desûreté de ces réacteurs aux standards actuels, des innovations ont introduites pour améliorer le comportement natureldu coeur lors de transitoires incidentels en augmentant le délai de grâce ou la marge à la fusion. Le prototype ASTRID(600 MWe) étudié au CEA inclut des modifications au niveau de l’assemblage et du dessin du coeur. Les choix deconception favorisent les fuites de neutrons en situation de perte du caloporteur sodium (fraction de sodium réduite encoeur, hauteur limitée, présence d’hétérogénéités axiales (plenum et couverture fertile interne)). Les conséquences sontpositives en ce qui concerne la baisse de l’effet de vidange. Cependant, dans le même temps, la stabilité du coeur s’entrouve affectée, avec une sensibilité accrue de la nappe de puissance à des perturbations locales (effets de densitésodium) ou globales (propagation des incertitudes). Ces conséquences sont l’objet principal de la thèse.La première partie de la thèse concerne les méthodes et les outils. La convergence des « solveurs » coeur a étéaméliorée pour résoudre le problème aux valeurs propres de l’équation du transport des neutrons. L’utilisation desmodes propres de cette équation a mis en évidence les corrélations entre des paramètres très synthétiques (comme laséparation des valeurs propres) et la sensibilité accrue de certaines caractéristiques du coeur comme le tilt depuissance. Cette première méthode a montré son intérêt qualitatif mais peine à quantifier les effets de manière précise.C’est pourquoi une autre théorie, celle des coeurs couplés, a été mise en oeuvre. Elle permet de relier la déformationdes nappes de puissance aux descendants de chaines de fission spécifiques. Outre de nombreux avantages d’un pointde vue calculatoire, la compréhension de la vidange dans un coeur hétérogène comme le CFV (Coeur à Faible Vidange)en est améliorée. Le dernier chapitre porte sur des études en soutien au coeur CFV d’ASTRID pour conforter lesoptions de conception retenues. La prise en compte de toutes les sources d’incertitudes (choix technologiques liés à laposition et à l’épaisseur de la plaque fertile, biais liés aux schémas de calcul, incertitudes liées aux données nucléaires)confirme les gains de conception obtenus grâce au coeur CFV hétérogène