Download L`outil COSAC et quelques cas d`application

COSAC - AREVA NP
Bertrand CARLIER
GEDEPEON – 26 octobre 2010
Sommaire
1. COSAC : vue d’ensemble
2. COSAC : composants du code
3. COSAC : statut du code
4. COSAC : exemples d’utilisation
GEDEPEON – B. Carlier – 26 octobre 2010
p.2
COSAC - Vue d’ensemble
Domaine d’application
COSAC : simule le cycle du combustible au cours du temps,
défini librement par l’utilisateur en connectant des
installations paramétrables
Installations disponibles : mines, stocks, usines de fabrication
et de traitement, réacteurs, piscines de refroidissement, etc.
Données de sortie calculées : inventaires massiques,
proportions isotopiques, puissance résiduelle et radiotoxicité
Principe : calcule les évolutions isotopiques de la matière à
l’intérieur de chaque installation, et les flux de matière
circulant entre les installations
GEDEPEON – B. Carlier – 26 octobre 2010
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COSAC - Vue d’ensemble
Scénario schématique
GEDEPEON – B. Carlier – 26 octobre 2010
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COSAC – Vue d’ensemble
Architecture
COSAC comprend 3 composants :
COSAC
‹ Interface Homme-Machine (GUI)
IHM
‹ Solveur mathématique (Kernel)
‹ Données d’entrée physiques
(filières réacteur et types de combustible)
Kernel
Données d’entrée
physiques
L’IHM et le Kernel sont développés en C++
Le Kernel est complètement entouré par l’IHM (saisie des données d’entrée –
exploitation des données de sortie)
Chaque composant est géré de façon indépendante et est associé à un
numéro de version
Le Kernel et l’IHM sont compilés sur Windows XP et Linux (Suse 9)
GEDEPEON – B. Carlier – 26 octobre 2010
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COSAC - Vue d’ensemble
Aperçu de l’IHM
mode “Pre-processeur”
‹ Édition des propriétés d’installations
‹ Connections des installation entre elles
‹ Selection des données de sorties
mode “Post-processeur”
‹ Disponible après exécution du Kernel de COSAC
‹ Nombreuses possibilités d’affichage (graphiques, tableaux)
Documentation
‹ « COSAC Descriptive Document »
GEDEPEON – B. Carlier – 26 octobre 2010
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COSAC – Composants du code
Kernel
À chaque pas de temps du scenario :
‹ Calcul des flux de matière
‹ Évolution isotopique de la matière
‹ Possibilité de calculer la puissance résiduelle et la radiotoxicité
‹ Possibilité de calculer les bilans de masse, de flux, d’énergie produite, etc.
Approche simplifiée permettant un bon compromis :
‹ La matière et les flux sont representés par des vecteurs
‹ Les installations sont representées par des matrices qui agissent sur les vecteurs
‹ Les matrices sont déduites de calculs d’évolution externes à COSAC
‹ 100 années de scenario sont calculées en quelques minutes
Utilisable en tant que code autonome (pas d’appel à des codes
extérieurs)
GEDEPEON – B. Carlier – 26 octobre 2010
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COSAC – Composants du code
Données d’entrée physiques
La physique est faite à l’extérieur de COSAC (flexibilité)
Les paramètres physiques sont introduits dans les calculs COSAC par
l’intermédiaire de matrices ou de fonctions
4 types de matrices :
• Matrices d’irradiation : pour l’évolution sous flux, à partir de
codes de neutronique externes tels que APOLLO2-F, CESAR,
MONTEBURNS, ORIGEN, etc.
• Matrices de décroissance : pour l’évolution hors flux, à partir
de codes résolvant les équations de Bateman hors flux
• Matrice de puissance résiduelle : pour la conversion d’un
inventaire massique en chaleur résiduelle
• Matrice de radiotoxicité : pour la conversion d’un inventaire
massique en radiotoxicité, à partir de codes donnant le terme
source et sa répartition énergétique + tables ICRP
“Equivalency function”: pour ajuster la teneur Pu dans un
combustible MOX en fonction de l’isotopie Pu
Documentation
‹ « Données d’entrée physiques pour COSAC »
GEDEPEON – B. Carlier – 26 octobre 2010
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COSAC – Composants du code
Matrices d’irradiation
n vecteurs
⎛ E 11
⎜
⎜ .
⎜ .
⎜
⎜ .
⎜
⎝ E 1n
⎞
⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎠
⎛ E i1 ⎞
⎜ ⎟
⎜ . ⎟ ⎛ E n1 ⎞
⎜ . ⎟⎜ . ⎟
⎟
⎜ ⎟ ⎜⎜
⎟
⎜ . ⎟⎜ . ⎟
⎜ ⎟⎜ . ⎟
⎝ E in ⎠ ⎜
⎟
(Ei1,..., Ein) = isotopie du combustibl
⎝ E nn ⎠ e neuf
⎛ S11 ⎞
⎟
⎜
. ⎟ ⎛ Si1 ⎞
⎜
Code
⎜ . ⎟ ⎜⎜ . ⎟⎟
d’évolution
⎟ ⎜ ⎟ ⎛⎜ Sn1 ⎞⎟
⎜
⎜ . ⎟⎜ . ⎟ ⎜ . ⎟
m isotopes
⎟⎜ . ⎟ ⎜
⎜
⎟
⎝ S1m ⎠
.
⎟
⎜ ⎟⎜
⎝ Sim ⎠ ⎜ . ⎟
(Si1,..., Sim) = isotopie du combustibl
⎟ e usé
⎜
⎝ Snm ⎠
⎧⎡ ⎤ ⎡
⎤
⎪⎢ ⎥ ⎢
⎥
⎫
Spent ⎪⎢ ⎥ ⎢
⎥ ⎡ ⎤ ⎪ Fresh
⎪
⎢
⎥
⎥⋅ E ⎬
⎨⎢S⎥ = ⎢ M irr
⎥ ⎢ ⎥ ⎪ fuel
⎢
⎥
⎢
fuel ⎪
⎥ ⎢⎣ ⎥⎦ ⎭
⎪⎢ ⎥ ⎢
⎥
⎪⎩⎢⎣ ⎥⎦ ⎢⎣
14
4244
3⎦
Irradiation matrix
GEDEPEON – B. Carlier – 26 octobre 2010
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COSAC - Statut
Qualité
Validation
‹ Tests unitaires
‹ Tests de non régression
Qualification
‹ Benchmark avec COSI (CEA)
‹ Benchmark simplifié avec NFCSS (AIEA)
Documentation disponible
‹ COSAC Manuel d’utilisation
‹ COSAC Descriptive document
‹ Données d’entrée physiques pour COSAC
‹ Note de benchmark COSAC/COSI
GEDEPEON – B. Carlier – 26 octobre 2010
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COSAC - Statut
Postes d’incertitude sur les résultats
Schémas neutroniques de calcul utilisés pour générer les
matrices
Liste tronquée d’isotopes gérés par les matrices
Matrices d’irradiation
‹ Domaine de validité
‹ Historique de puissance
‹ Dispersion des burnup à la décharge
Matrices de décroissance : choix de la demi-vie associée
Matrices de radiotoxicité : choix du découpage énergétique
GEDEPEON – B. Carlier – 26 octobre 2010
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COSAC - Statut
Benchmark de qualification avec COSI
Fuel REP-UOX manufactured
Scenario 3
PWR UOX
PWR MOX
FR
70
Power (GWe)
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 110 120
time (y)
Fuel RNR-MOX manufactured
GEDEPEON – B. Carlier – 26 octobre 2010
Fuel RNR-MOX
REP-MOX manufactured
Fuel
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COSAC - Statut
Benchmark avec NFCSS
NFCSS / COSAC output comparison
59.8 GWe PWR fleet - UOX fuel 4.2% 50 GWd/t
NFCSS
COSAC
6000
Fuel loaded in the core
10000,00
9000,00
5000
8000,00
7000,00
FuelInCore (tHM)
5000,00
4000,00
3000,00
3000
2000
2000,00
1000,00
1000
0,00
natural uranium
enriched uranium
SWU
uranium tails
spent fuel discharged
Output name
0
1960
1980
2000
2020
2040
2060
2080
2100
2120
2140
2160
2140
2160
Year
1600
NFCSS
COSAC
Fuel discharged
1400
1200
1000
SFD (t)
Output value
4000
6000,00
800
600
400
200
0
1960
1980
2000
2020
2040
2060
2080
Years
NFCSS SFD
COSAC – Bertrand Carlier - 19 novembre 2010 - p.13
COSAC SFD
2100
2120
COSAC – Exemples d’utilisation
Cadre d’utilisation de COSAC
Utilisations uniquement internes à AREVA
‹ Conseils aux clients internes
‹ Propositions d’études aux partenaires
‹ GNEP (AREVA Inc.)
‹ Stages d’étudiants du MIT
GEDEPEON – B. Carlier – 26 octobre 2010
p.14
COSAC – Exemples d’utilisation
Scenarios US (stage MIT - 2007)
U+Pu
FBR
introduction
date
Recycling mode
A.M.
Cooling
time (years)
8.00E+07
200000
Never
Scenario 1
150000
4.00E+07
100000
2.00E+07
50000
2010
2010 2020
2030
100
N/A
6.00E+07
0.00E+00
2000
2040 2050
2060
2070 2080
0
2090
3
80
70
50
40
30
20
10
0
2020
2040
Radial
2060
2080
No
2100
2120
2140
2160
2180
2200
Year
Axial
MA
Scenario 2
No
60
Year
U+Pu
With axial
blankets
Blankets
90
250000
N u m b e r o f b l a n k e ts
N/A
300000
1.00E+08
M A m a s s i n i n te r i m s to r a g e
(k g )
U + P u m a s s i n i n te r i m s to r a g e
(k g )
1.20E+08
Scenario REF
Radioactive
decay
Mass of heavy metal in interim storage
2030
10
No
With axial
HETEROGENEOUS
blankets
Massof heavymetal ininterimstorage
1.60E+08
80
350000
1.20E+08
300000
1.00E+08
250000
8.00E+07
Scenario 4
6.00E+07
4.00E+07
200000
150000
100000
2.00E+07
50000
0.00E+00
0
Scenario 4*
2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120 2140 2160 2180 2200
70
300000
60
250000
8.00E+07
200000
6.00E+07
60
50
40
30
HOMOGENEOUS
2120
2140
Ye ar
Year
U+Pu
With M A loade d in core
MA
With axial blanke ts
With 5%-MA
in the core
COSAC – Bertrand Carlier - 19 novembre 2010 - p.15
2160
100000
2.00E+07
50000
2050
10
2100
150000
4.00E+07
0.00E+00
0
2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120 2140 2160 2180 2200
20
0
2080
80
350000
1.00E+08
70
N u m b e r o f rea cto rs
Scenario 3*
400000
1.20E+08
U+Pu
2180
MA
Year
10
Yes
50
Number of blankets
1.40E+08
400000
10
1.40E+08
U+Pumassininterimstorage
(kg)
90
M A m a s s in in te r im s to r a g e
U + P u m a s s in in te r im s to r a g e (k g )
450000
No
90
450000
2050
MA-loaded cores and axial blankets
Mass of heavy metal in interim storage
1.60E+08
Blankets
MAmassininterimstorage
(kg)
Scenario 3
40
30
20
No
10
0
2060 2080 2100 2120 2140 2160 2180 2200 2220 2240 2260 2280
Radial
Axial
Year
Yes
With 15%-MA
in radial
blankets
COSAC – Exemples d’utilisation
Scenarios symbiotiques (2009 – 2010)
1/3
Pu
Pu
Pu
Pu
Pu
0 , 32 6 t/ a n
0 , 3 2 6 t/ a n
Pu
Pu
Pu
Pu
0 , 3 2 6 t/ a n
1/3
0, 3 26 t/ a n
1/3
COSAC – Bertrand Carlier - 19 novembre 2010 - p.16
COSAC – Exemples d’utilisation
Scenarios symbiotiques (2009 – 2010)
Pu en réacteur
Pu en entreposage
(311 t)
(4 t)
Pu en stockage ultime
Pu en traitement/fabrication
(1120 kg/an)
Pu total
(5 t)
A.M. en stockage
ultime
A.M.
total
(3230 kg/an)
A.M. en surface
(10 t)
COSAC – Bertrand Carlier - 19 novembre 2010 - p.17
COSAC – Exemples d’utilisation
Scenarios symbiotiques (2009 – 2010)
0%
Pu
Pu
Pu
Pu
Pu
0 , 3 2 6 t/ a n
0 , 3 2 6 t/ a n
40%
Pu
Pu
Pu
Pu
0 , 3 2 6 t/ a n
COSAC – Bertrand Carlier - 19 novembre 2010 - p.18
0 , 3 2 6 t/ a n
60%
COSAC – Exemples d’utilisation
Scenarios symbiotiques (2009 – 2010)
Pu en entreposage Pu en réacteur
(6 t)
(430 t)
Pu en
traitement/fabrication
(6 t)
Pu en stockage ultime Pu total
(3460 kg/an)
A.M. en stockage ultime
(2390 kg/an)
A.M. total
A.M. en surface
(10 t)
COSAC – Bertrand Carlier - 19 novembre 2010 - p.19
COSAC – Exemples d’utilisation
Scenarios HFC (stage MIT - 2010)
Plutonium contenu dans les C.U.
RNR
EPR-UOX
HFC
EPR-MOX
Actinides mineurs
COSAC – Bertrand Carlier - 19 novembre 2010 - p.20
Ressource U nat
COSAC - Conclusions
Flexibilité : facilité pour intégrer de nouveaux scénarios et de
nouvelles filières de réacteurs – combustible
Autonome : pas d’appel direct à des codes extérieurs
Simplicité : physique prise en compte par l’intermédiaire de
matrices
Rapidité : scénario exécuté en quelques minutes pour une
centaine d’années
Convivial : prise en main de l’outil et mise au point d’un
scénario facilitées par l’IHM
COSAC – Bertrand Carlier - 19 novembre 2010 - p.21