Le couplage thermohydaulique-neutronique FLICA4/TRIPOLI4

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GROUPEMENT DE RECHERCHE
CEA - CNRS – EDF - FRAMATOME
Le couplage thermohydraulique/neutronique FLICA4/TRIPOLI4
S. Aniel-Buchheit (CEA)
Email : [email protected]
Le couplage thermohydraulique/neutronique FLICA4/TRIPOLI4
¾Contexte du développement: L’étude des Réacteurs à Eau SuperCritique(RESC)
¾Intérêts du couplage FLICA4/TRIPOLI4
¾Contraintes imposées par le contexte d’étude et les codes en présence
¾Description du couplage: solutions techniques et schéma des échanges
¾Etat actuel du développement
Le concept du RESC s’appuie sur
l’efficacité thermique élevée de l’eau
autour du point pseudo-critique.
Plusieurs
concepts,
thermiques,
sont
envisagés.
rapides
et
actuellement
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% .
2,E-07
100
Pression (bar)
Diffusivité (m2/s)
"Supercritique"
1000
Point critique
Liquide
2,E-07
1,E-07
10
1,E-07
0,1
Solide
1
Courbe de
Vaporisation
1,E-07
8,E-08
Vapeur
6,E-08
Thermique 250 bar
Thermique 300 bar
Viscosité 250 bar
Viscosité 300 bar
4,E-08
0,01
2,E-08
Point triple
0,001
-50
0
50
0,E+00
360
100 150 200 250 300 350 400 450 500
370
Diagramme Pression-Température de l’eau
400
430
440
450
460
T=300°C
T=375°C
250
P (bar)
230 bar
250 bar
300 bar
400
420
300
Masse volumique (kg/m3)
500
410
Variation des diffusivités en fonction de la température
600
300
200
200
C
150
A
100
D
100
0
360
390
Temperature (°C)
Temperature (°C)
700
380
B
50
370
380
390
400
410
420
430
440
450
460
0
0,00025
0,0005
0,00075
3
V (m /mol)
Temperature (°C)
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 :
9Diminution de la diffusivité thermique autour du point pseudo-critique +
viscosité cinématique constante Ö Maximum du nombre de Prandlt Ö bon
coefficient d’échange thermique : au voisinage du point pseudo-critique l’eau
est un bon caloporteur :
9une faible quantité de caloporteur nécessaire :
9Compacité des installations
9Possibilité d’avoir des spectres rapides
9De hautes pressions et des températures de sortie élevées Öbon
rendement)
9Unicité du volume à pression donnée Ö absence d’état métastable Ö
Absence de crise d’ébullition
9 Pas de changement de phase (moins d’instabilités purement
thermohydraulique)
Difficultés liées à l’utilisation de l’eau super-critique :
9Des propriétés variant rapidement autour de la température pseudo-critique
d’où une instabilité N/Th potentielle (accentuée par l’absence de crise
d’ébullition).
9Une grande variation de la densité du modérateur pour de faibles variations de
la température d’où de fortes hétérogénéités radiales et axiales Öun fort
couplage N/Th
9Une 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
9Température limite de gaine proche de la température de gaine maximale en
fonctionnement normal (inacceptable au regard des incertitudes actuelles)
9Mauvaise connaissance des propriétés thermohydrauliques (forte incertitude
sur l’évaluation de concept)
9Point de vue mécanique, apparition de sifflement, vibration lié au condition de
fonctionnement
Intérêt du couplage FLICA4/TRIPOLI4
¾ Il existe un fort couplage 3D neutronique/thermo-hydraulique.
Î Le couplage du code de thermohydraulique 3D FLICA4 et du code de
neutronique 3D TRIPOLI4 répond à l’exigence de couplage 3D.
¾ 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.
Î 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).
¾ TRIPOLI4 ne nécessite aucune modélisation ni maillage de la géométrie
physique
Î 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
¾ 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),
¾ Être pérène
¾ Être capable de générer des bibliothèques ponctuelles pour les températures
rencontrées lors des simulations (élimine un risque de non convergence du
calcul couplé),
¾ Être capable d’effectuer un calcul couplé convergé en un temps raisonnable (un
grand nombre de calculs devra être lancé),
¾ 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”)
¾ 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
¾Définition 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 ).
¾Utilisation 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…,
¾Parallelisation de TRIPOLI4 pour atteindre un temps de simulation raisonnable.
¾Définition 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.
•
ÎIl 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 Fuel de position (a,b) =
partie de la structure combustible 9
incluse dans le canal 16
13
Fuel
(-a,b)
Fuel
(0,b)
14
7
Fuel
(a,b)
9
Fuel
(-a,0)
Fuel
(0,0)
10
5
Fuel
(-a,-b)
Fuel
(0,-b)
Géométrie physique
Fuel
(a,-b)
8
4
Fuel
(a,0)
11
6
12
6
7
2
2
16
9
5
1
1
15
8
3
3
Géométrie FLICA4
4
Intersection géométrie physique/maillage FLICA4
Géométrie physique
Géométrie FLICA4
13
Fuel
(-a,b)
Fuel
(-a,0)
Fuel
(-a,-b)
Fuel
(0,b)
Tube
guide
(0,0)
Fuel
(0,-b)
14
15
16
Fuel
(a,b)
9
10
11
5
6
7
12
Fuel
(a,0)
Fuel
(a,-b)
1
2
3
Correspondance à
conserver
Fuel
(-a,b)
Fuel
(0,b)
Fuel
(a,b)
Fuel
(-a,0)
Tube
guide
(0,0)
Fuel
(a,0)
Fuel
(-a,-b)
Fuel
(0,-b)
Fuel
(a,-b)
Géométrie TRIPOLI4
8
4
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)

Le couplage thermohydaulique-neutronique FLICA4/TRIPOLI4

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