Soutenance de thèse de Aurélie CALAME

La puissance résiduelle est la puissance émise par un réacteur nucléaire après son arrêt. La connaissance de cette dernière est importante à diverses étapes du cycle du combustible, et représente un intérêt majeur pour la sûreté et le coût des réacteurs nucléaires. Elle repose notamment sur la connaissance des bilans matières. Le formulaire DARWIN3 a vocation à devenir le nouveau formulaire déterministe multifilière de calcul des bilans matière et de la puissance résiduelle dans les réacteurs à neutrons rapides. Composé du formulaire neutronique APOLLO3® et du module d’évolution MENDEL, il nécessite d’être validé par des comparaisons à des mesures expérimentales, mais aussi à son prédécesseur (DARWIN2), et à un code de référence Monte Carlo (TRIPOLI-4®). Grâce à l’interprétation des expériences TRAPU et DOUBLON ayant eu lieu respectivement dans le cœur interne et la couverture fertile du réacteur à neutrons rapides PHENIX, nous avons démontré que DARWIN3 offre des résultats semblables à TRIPOLI-4® pour le calcul des niveaux de flux et des bilans matières pour la majorité des isotopes, aussi bien dans le cœur interne que dans la couverture fertile. Cependant, on a montré que les deux codes ont du mal à modéliser le niveau de flux et son spectre énergétique dans la couverture fertile. De plus, le calcul de la production de certains isotopes nécessiterait un découpage énergétique plus fin, ainsi qu’une meilleure connaissance des sections efficaces dans les domaines épithermiques et rapides. DARWIN3 est plus performant que DARWIN2 pour prédire les concentrations des américiums, car le flux dans la couverture fertile s’adoucit davantage avec DARWIN2 qu’avec DARWIN3, induisant d’importants écarts pour l’étude de l’indicateur de fluence, le rapport isotopique 148Nd/238U Nous avons montré que certaines hypothèses simplificatrices de notre modélisation sont valables : il est possible de faire évoluer uniquement les concentrations des aiguilles d’intérêt plutôt que l’ensemble du cœur, et d’utiliser un plan de chargement constant sans prendre en compte ses modifications en cours d’irradiation. Grâce à l’interprétation de l’expérience de mesure de la puissance résiduelle ayant eu lieu dans SUPERPHENIX en 1987, nous avons montré que DARWIN3 permet d’obtenir des résultats similaires aux précédentes interprétations réalisées avec MECCYCO. DARWIN3 présente des incertitudes plus faibles et mieux maîtrisées. Il est à remarquer que tous les formulaires d’évolution sous-estiment la puissance résiduelle de Superphénix, alors qu’elle est surestimée dans d’autres études similaires dans PHENIX, sans modification notables en termes de neutronique et de nature de ses contributeurs. Ainsi, les disparités résultent probablement d’une sous-estimation des incertitudes expérimentales et d’éventuels biais de mesure ou biais technologiques non encore identifiés. Il serait nécessaire de pouvoir coupler la mesure de la puissance résiduelle à l’analyse des bilans matières afin de s’affranchir des biais du niveau de flux et d’avoir une meilleure compréhension des écarts observés.

The decay heat is the power emitted by a nuclear reactor after its shutdown. The knowledge of the latter is important at various stages of the fuel cycle, and represents a major interest for the safety and the cost of nuclear reactors. It is based in particular on the knowledge of final isotopic concentrations. The DARWIN3 package aims to become the new multi-channel deterministic code for calculating isotopic concentrations and decay heat in sodium-cooled fast reactors (SFR). Composed of the APOLLO3® neutronic package and the MENDEL depletion module, it needs to be validated by experimental comparisons to its predecessor (DARWIN2), and to a Monte Carlo reference code (TRIPOLI-4®). Thanks to the interpretation of the TRAPU and DOUBLON experiments which took place respectively in the internal core and the fertile blanket of the PHENIX SFR, we have demonstrated that the DARWIN3 package offers similar results to TRIPOLI-4® for the calculation of flux levels and isotopic ratios for the majority of isotopes, both in the inner core and in the fertile blanket. However, both codes show difficulties to model the level of flux and the neutron energy spectrum in the fertile blanket. In addition, the calculation of the final inventory of some isotopes would require a more refined energy mesh, as well as a better knowledge of their production cross sections in the epithermal and rapid range. DARWIN3 is more efficient than DARWIN2 for predicting the final amount of americium. The neutron flux in the fertile blanket is more "softened" with DARWIN2 than with DARWIN3, inducing significant differences for the study of the fluence indicator, the 148Nd/238U isotopic ratio. Some approximations we made in our modelization have proven to be valid: we can apply the depletion on the pins of interest concentrations only rather than on the whole of the reactor, and use a constant description of the reactor loading map without taking into account its modifications without having significant discrepancies in our calculation results. Thanks to the interpretation of the decay heat measurement experiment that took place in SUPERPHENIX in 1987, we have shown that DARWIN3 allows to obtain results similar to previous interpretations carried out with MECCYCO. DARWIN3 has lower and better mastered uncertainties, however, all codes underestimate the decay heat measured during several experiments in Superphenix. On the contrary, it is overestimated in other similar studies in PHENIX, with no significant modifications in terms of neutronics and decay heat contributors. Thus, the disparities probably result from an underestimation of the experimental uncertainties and maybe unidentified measurement or technological biases. It would be necessary to be able to couple the measurement of the decay heat with the analysis of the isotopic ratios in order to overcome the biases of the flux level and have a better understanding of the discrepancies we have observed.