Soutenance de thèse de David FRIANT

Le coefficient Doppler, ou coefficient de température du combustible (CTC), représente la principale source de rétroaction négative passive et instantanée de la réactivité pour limiter l’excursion de puissance maximale pendant les accidents de type RIA (Reactivity Initiated Accident). Cette propriété du combustible permet limiter les excursions de puissance sans qu’il soit nécessaire d’intervenir mécaniquement par le biais des barres de contrôle ou autre mécanisme similaire. Il a été montré dans des travaux antérieurs que le coefficient Doppler est la princi- pale source d’incertitude (environ 15%) des transitoires RIA du réacteur Cabri au CEA Cadarache, conçu pour reproduire le RIA des réacteurs du parc. Les seules mesures quantitatives et qualitatives connues du coefficient Doppler ont été effectuées dans la maquette critique Minerve à Cadarache vers 1980. Ces mesures, effectuées par l’oscillation d’un échantillon de combustible chauffé puis inséré dans le cœur, ne vont que jusqu’à environ 800 °C, ce qui reste bien inférieur aux températures attendues dans un RIA, où la température interne du combustible peut atteindre jusqu’à 2000 ° C. Il a donc été décidé de réaliser des travaux préliminaires de simulation couplée neu- tronique/thermomécanique afin de vérifier la faisabilité et la viabilité d’une série d’expériences modernes visant à mesurer le coefficient Doppler à des températures allant jusqu’aux limites permises par les propriétés des matériaux des échantillons chauffés. Ce travail de thèse couvre cette analyse préliminaire, en commençant par un état de l’art sur les modèles d’élargissement Doppler dans les codes de transport de neutrons de Monte Carlo, et simuler le cas particulier de la diffusion élastique. On a montré que les différents modèles de diffusion peuvent entraîner des différences substantielles dans le coefficient Doppler extrait. Une étude du comportement thermomécanique d’échantillons de combustible UO2 a ensuite été réalisée. Cette étude, réalisée à l’aide du code multiphysique COMSOL, a permis d’identifier plusieurs paramètres expérimentaux clés à haute température qui doivent être pris en compte, à savoir que le matériau de gainage Zircaloy typique doit être remplacé par un autre matériau (le niobium est probablement le meilleur candidat) et que toute expérience de type oscillation doit être réalisée sous vide afin de minimiser le taux de perte de chaleur de l’échantillon pendant la phase d’oscillation. Cette étude a été suivie d’une série de simulations neutroniques du cœur complet dans un réseau générique de type ZPR. Nous avons montré que les incertitudes attendues à des températures supérieures à environ 1400 K empêchent la collecte de données statistiquement significatives au-delà de cette température pour des échantillons de combustible de 20 cm. La tem- pérature limite pour les échantillons plus courts (10 cm) s’est avérée être d’environ 900 K, ce qui est inférieur à la limite supérieure des expériences Minerve susmentionnées. 4 Ensuite, une série de calculs dynamiques de réacteurs ponctuels a été réalisée afin de quantifier les performances attendues des expériences d’oscillation dans des con- ditions transitoires représentatives. En outre, nous avons également tenté d’extraire le coefficient Doppler par la technique de divergence où la réactivité est extraite par l’équation d’Inhour. Cela a donné lieu à des incertitudes estimées qui sont, au mieux, comparables aux résultats obtenus en utilisant la méthode d’oscillation typique. Dans la région des hautes températures, cette méthode alternative a donné des résultats nettement moins bons. En résumé, nous avons constaté que, même dans les meilleures conditions, il est probable que des mesures statistiquement significatives du coefficient Doppler ne peuvent être obtenues que jusqu’à environ 1400K et que, des deux méthodes simulées pour l’extraction de ce coefficient, la méthode d’oscillation classique reste probablement le meilleur choix.

The Doppler coefficient, or Fuel Temperature Coefficient (FTC), represents the primary source of passive and instantaneous negative reactivity feedback to limit peak power excursion during Reactivity Initiated Accidents (RIA). As it is a property of the fuel itself, it can be relied upon to limit power excursions without the need for mechanical intervention via the adjustment of control rods or some other similar mechanism. It has been noted in other works that the Doppler coefficient is the most significant source of uncertainty (approx. 15%) in transients designed to emulate the effects of an RIA in the Pressureized Water Reactor (PWR) fleet. The only known experimental measurements of the Doppler coefficient in a Zero Power Reactor (ZPR) took place in the Minerve reactor at Cadarache circa 1980. Those measurements, made by the oscil- lation of a heated fuel sample inserted into the core, only extend up to about 800 ° C, far below the temperatures expected of an RIA, where the inner fuel temperature can reach up to 2000° C. As such, it has been decided that a preliminary work based on coupled neutronics/thermomechanics simulation should be performed in order to verify the feasability and viability of a modern suite of experiments to measure the Doppler coefficient at temperatures up to the limits of what heated sample material properties will allow. This PhD work intends to provide that preliminary analysis, beginning with an explo- ration of the state of the art in Doppler broadening and the kernels available in Monte Carlo neutron transport codes for simulating the special case of the elastic scattering interaction. It was found that the different scattering models can cause substantial differences in the extracted Doppler coefficient. A study of the thermomechanical behavior of typical Low-Enriched Uranium (LEU) fuel pins was next performed. This study, via the COMSOL multiphysics code, resulted in the identification of several key high-temperature experimental parameters which must be taken into account, namely that the typical Zircaloy cladding material needs to be replaced with some other material (Niobium is likely the best candidate) and also that any oscillation type experiment must be performed under vacuum to minimize the rate of heat loss from the sample druing the oscillation phase. This was followed by a series of full-core neutronics simulations in a generic ZPR-esque lattice. It was found that the expected uncertainties at temperatures above approximately 1400K prevent the collection of statistically meaningful data higher than that temperature for 20cm fuel samples. The cutoff temperature for shorter samples (10cm) was found to be approximately 900K, below the upper limit of the aforementioned Minerve experiments. Following that, a series of point reactor dynamic calculations were performed in order to quantify the expected performance of the oscillation experiments under representative transient conditions. Additionally, there was an attempt at extracting the Doppler coefficient via 6 the divergence technique wherein the reactivity is retrieved via the Inhour equation. This resulted in assumed uncertainties that are, at best, comparable to the results of using the typical oscillation method. In the high temperature region, this alternate method performed substantially worse. In summary, it was found that, even under the best conditions, it is likely that statistically meaningfully measurements of the Doppler coefficient can only attained up to approximately 1400K and, of the two methods simulated for the extraction of it, the classical oscillation method is likely to be the superior choice.