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

​ Juan Antonio BLANCO a soutenu sa thèse le 11 décembre 2020.

​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.