Multiscale analysis of nuclear reactors thermal-hydraulics - the Neptune project

Abstract

The NEPTUNE project aims at building a new two-phase thermal-hydraulics platform for nuclear reactors simulation. It is being developed jointly by CEA-DEN and EDF-R&D and also supported by IRSN and FRAMATOME-ANP. NEPTUNE is a new generation multi-scale platform. The “system” scale models the whole reactor circuit with 0D, 1D and 3D modules and is generally applied with a coarse meshing including about a thousand meshes. The component scale models components like the reactor Core or Steam Generators with a finer nodalization and is generally applied using 104 to 105 meshes. Since these components contain rod or tube bundles the physical modelling is based on a homogenization technique using the porosity concept. For some specific applications it was found necessary to add a two-phase CFD tool able to zoom on a portion of the circuit where small scale phenomena are of importance for design purpose or safety issues. Here the basic equations are still averaged like in RANS approach for single phase, but the space resolution is finer than in component codes and typical applications may require from 105 to 107 meshes. These three scales have to be coupled in order to simulate many reactor transients where both local effects and system effects play a role. In addition, two-phase Direct Numerical Simulation tools with Interface Tracking Techniques can be used for even smaller scale investigations leading to a better understanding of basic physical processes and allowing the development of new closure relations for averaged models. The main challenges of this project are here presented and some first results are presented.

Le projet NEPTUNE vise à élaborer une nouvelle plateforme thermo-hydraulique diphasique pour la simulation de réacteurs nucléaires. Il est développé conjointement par CEA-DEN et EDF-R&D et également soutenu par IRSN et FRAMATOME-ANP. NEPTUNE est une nouvelle génération de plateforme multi-échelle. L’échelle "système" modélise le circuit entier du réacteur avec des modules 0D, 1D et 3D et est généralement utilisé avec un maillage grossier d’environ mille mailles. La modélisation des composants comme le coeur du réacteur ou les générateurs de vapeur a un maillage plus fin de 104 à 105 mailles. Comme ces composants contiennent des faisceaux de tubes ou de tiges la modélisation physique est basée sur des techniques d'homogénéisation avec un concept de porosité. Pour quelques applications spécifiques on a trouvé nécessaire d'ajouter un code diphasique de CFD capable de zoomer sur une partie du circuit où l’échelle fine des phénomènes est importante pour la conception ou la sûreté. Ici les équations de base sont encore moyennées comme dans l'approche RANSmonophasique, mais la résolution de l'espace est plus fine que dans les codes de composants et certainesapplications typiques peuvent exiger de 105 à 107 mailles. Ces trois échelles sont couplées pour simuler beaucoup de transitoires de réacteur où les effets locaux et système interfèrent. En outre, des outils numériques de simulation directe diphasique (DNS) avec des techniques de capture d'interface peuvent être utilisés pour des investigations à une échelle encore plus réduite pour une meilleure compréhension de processus physiques de base et pour permettre de développer de nouvelles relations de fermeture pour les modèles basés sur des moyennes. Les principales difficultés de ce projet sont présentées ainsi que quelques premiers résultats.

• Ecoulements diphasiques