Advanced neutronics-thermohydraulics studies for MSRs (Molten Salt Reactors)
Modélisation avancée neutronique-thermohydraulique pour les MSR (Réacteurs à Sels Fondus) de type RNR à combustible liquide
Résumé
A molten salt reactor (MSR) is a GEN-IV nuclear reactor type where a liquid, high-temperature salt acts as both the fuel and the primary coolant. This characteristic has two main impacts : a strong density feedback and the delayed neutron precursors transport with the fuel salt.These two aspects require adapting the calculation codes used for nuclear reactor studies. In CEA, a coupled code was developed for MSRs studies, combining the deterministic neutronics code APOLLO3® and the CFD code TrioCFD. The objective of the PhD is to study the turbulent fluctuations in MSRs, using the coupled tool APOLLO3®-TrioCFD.In a first step, a validation step of the coupled tool was performed on the first MSR ever built, the Aircraft Reactor Experiment (ARE). Numerous experiments have been performed and documented on the ARE, which enabled comparisons between the experimental results and the simulations performed on a numerical model of the ARE.In a second step, the coupled tool was used to model the Molten Salt Fast Reactor (MSFR) concept, developed for twenty years in CNRS first, then within a European consortium. The MSFR possesses a toroidal core shape where a highly turbulent fuel salt flows. The first calculations performed on the MSFR were purely CFD (RANS and LES turbulence models), in order to resolve accurately the thermal-hydraulics model of the steady-state flow of the reactor. These first calculations also lead to early estimates of the power fluctuations in the core.Eventually the coupled neutronics – thermal-hydraulics system was studied, in order to analyse the respective impacts of each physics. Precise estimates of the temperature and power fluctuations in the MSFR core were obtained.
Un réacteur à sels fondus (MSR pour Molten Salt Reactor) est un type de réacteur nucléaire de 4ème génération dans lequel le combustible est liquide, sous forme de sel à haute température, et sert également de caloporteur. Cette spécificité a deux impacts principaux : un fort coefficient de contre-réactivité par densité, et le transport des précurseurs de neutrons retardés par le sel combustible.Ces deux aspects nécessitent d'adapter les codes de calcul existants pour l'étude des MSRs. Au CEA, un outil couplé combinant le code neutronique déterministe APOLLO3® et le code de CFD TrioCFD est développé. Les travaux de thèse portent sur l'étude des fluctuations turbulentes dans un cœur de MSR en utilisant l'outil couplé APOLLLO3®-TrioCFD.Dans un premier temps, une phase de validation de l'outil couplé porte sur la modélisation du premier MSR historique, l'Aircraft Reactor Experiment (ARE), sur lequel de nombreuses expériences ont été réalisées et documentées. La reproduction d'expériences sur l'ARE avec un modèle numérique permet ainsi une première prise en main et une validation du code par comparaisons calculs-mesures.Dans un deuxième temps, l'outil couplé est utilisé pour modéliser le concept Molten Salt Fast Reactor (MSFR), développé depuis une vingtaine d'années d'abord au CNRS, puis au sein d’une coopération européenne. Le MSFR présentant une cuve toroïdale dans laquelle circule librement un écoulement fortement turbulent de sel combustible, les premières modélisations sont uniquement thermohydrauliques, afin de réaliser des simulations CFD (RANS et LES) bien résolues du MSFR en fonctionnement nominal. Ces modélisations permettent d'obtenir des premières estimations des fluctuations de puissance dans le cœur.Le système couplé neutronique – thermohydraulique est finalement étudié, afin d'analyser les impacts respectifs de chacune des physiques, et d'obtenir des résultats précis sur l'amplitude et la fréquence des fluctuations de température et de puissance dans le cœur du MSFR.
Origine : Version validée par le jury (STAR)