Neutronics-thermal-hydraulics coupling at the pin-cell scale without cross-section homogenization by CMFD accelerated fixed-point iterations

This thesis work was carried out at CEA (French Alternative Energies and Atomic Energy Commission) within the ongoing development of advanced neutron-thermal-hydraulics coupling methods that bypass the traditional approximation of cross-section homogeniza- tion. Using a gradual, incremental approach, the objective is to verify the accuracy and feasibility of a tight coupling scheme that integrates the Integro Differential Transport solver (IDT) transport solver, the Cross-Section tool (XSTool) cross-section interpolation tool and the 1D thermal-hydraulic code THErmohydraulique Diphasique (THEDI), all coordinated via the Collaborative Code Coupling Platform (C3PO) platform. The work began with a simple 2D PWR fuel pin cell. The stand-alone IDT solver was com- pared against the reference deterministic solver APOLLO3® Three Dimensional Trans- port (TDT)-Method of Characteristics (MOC) and the Monte Carlo code TRIPOLI- 4®, yielding excellent agreement (keff differences below 3 pcm and reaction rate errors < 0.6%). Following these results, geometric complexity was systematically increased: first by evaluating three 3D pin-cell variants with different axial discretisations, then by adding axial reflectors and finally by introducing spacer grids. At each stage, IDT was verified against Monte Carlo references. Parametric studies on axial mesh refinement and energy condensation demonstrated that 26 or 30 energy groups preserve the accuracy of the 281-group reference while reducing the CPU computational time by a factor of about 7. Once the stand-alone neutronics model was verified, a Newton-based critical boron search algorithm was integrated within the power iterations of IDT, achieving convergence to the critical boron concentration in 20 outer iterations. Finally, the full multiphysics coupling (IDT + XSTool + THEDI) was implemented on the 3D model with reflectors. Calculated axial profiles of power, fuel temperature and moderator density exhibit consistent physical behavior. The coupling loop converges after 18 exchanges, with cross-section recalcula- tions dynamically triggered by XSTool only when thermal fields vary significantly. Overall, this step-by-step approach demonstrates that coupling without homogenization is both feasible and accurate at the pin-cell level, paving the way for future assembly-level and full-core multiphysics simulations.

Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso il Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA) nell’ambito dello sviluppo di metodi avanzati di ac- coppiamento neutronico-termo-idraulico che vadano oltre la tradizionale approssimazione dell’omogeneizzazione delle sezioni d’urto. Attraverso un approccio graduale e incremen- tale, l’obiettivo è verificare l’accuratezza e la fattibilità di uno schema di accoppiamento che integri il risolutore neutronico IDT, l’interpolatore di sezioni d’urto XSTool e il codice termoidraulico 1D THEDI, il tutto coordinato dalla piattaforma C3PO. Seguendo un approccio incrementale, il lavoro di tesi parte da una semplice cella bidimen- sionale di barre di combustibile PWR. Il risolutore neutronico IDT viene confrontato con il risolutore deterministico di riferimento APOLLO3® TDT-MOC e con il codice Monte Carlo TRIPOLI-4®: si ottiene una buona concordanza (differenze di keff inferiori a 3 pcm, errori sui rate di reazione < 0, 6%). Sulla base di questi risultati, la complessità viene ora aumentata: prima considerando tre varianti di celle 3D (diverse discretizzazioni assiali), poi aggiungendo riflettori assiali e infine introducendo griglie distanziatrici. In ogni fase, l’IDT viene confrontato con i codici Monte Carlo. Studi parametrici sul raffinamento della mesh assiale e sulla condensazione di energia mostrano che 26 o 30 strutture preservano l’accuratezza del riferimento a 281 gruppi riducendo al contempo il tempo di calcolo della CPU di un fattore di circa 7. Una volta testato il modello neutronico, si è sviluppato un algoritmo di ricerca del boro critico nell’ambito delle iterazioni di potenza di IDT. La convergenza verso la concen- trazione critica di boro viene raggiunta in 20 iterazioni esterne. Infine, l’accoppiamento multifisico completo (IDT + XSTool + THEDI) viene implementato sul modello 3D con riflettori. I profili assiali di potenza, temperatura del combustibile e densità del modera- tore mostrano un comportamento coerente. Il ciclo di accoppiamento converge dopo 16 scambi, con il ricalcolo della sezione d’urto effettuato da XSTool solo quando i campi ter- mici variano in modo significativo. Nel complesso, questo approccio graduale dimostra che un accoppiamento senza omogeneizzazione è fattibile e accurato a livello di pin, aprendo la strada a future simulazioni multifisiche a livello di assemblaggio e dell’intero nocciolo.