In this thesis, the feasibility to use sodium cooled fast reactors loaded with MOX, metallic and nitride fuels for efficient transmutation of americium is investigated by performing transient analysis for cases with different americium contents in fuels, using safety parameters obtained with the SERPENT Monte Carlo code. It was then demonstrated that there is no solid limit for the Am introduction into oxide, metallic and nitride fuels that were loaded into sodium fast reactors. Instead, higher Am contents could be permitted if specific levels of power penalty were accepted. Transient analysis of a new Accelerator Driven System design with higher neutron source efficiency than the reference EFIT-400 design, was also performed. Based on simulation results, the suggested ADS design was proved to survive the full set of transients, preserving 130 K margin to cladding rupture during the most limiting transient. After comparing Am transmutation performances in SFRs and the suggested ADS, it can be concluded that: 1. Nitride fuel could provide the highest Am transmutation efficiency, when loaded into SFRs; 2. One SFR loaded with nitride fuel is sufficient to transmute Am inventory produced by more than 15 commercial LWRs within the same time period, which is three times higher than the supporting ratio reported for the suggested ADS; 3. The total fraction of ADS power in the power park is half of cases for critical reactors. / QC 20120201

The sensitivity of two operational output parameters, criticality and isotopic composition during burnup, to specific design and operational reactor parameters in a Sodium Cooled Fast Reactor, is investigated. The computational simulation tool Serpent is used. The parameters varied include Uranium enrichment, Plutonium content, rod thickness, fuel temperature, and sodium density. In burnup, the development of the fraction of fissile isotopes, isotopes used for measurements, the isotopic composition of Plutonium, and isotopes that complicate fuel reprocessing is displayed. A surrogate model, optimized for use in determining how criticality develops between data points, is used. The results are displayed as plots created in Matlab. The results are discussed, with a focus on how large an effect varying different parameters have on different outputs related to the reactor's operation. It is concluded that the Plutonium content has the largest effect on the isotopic composition and that, based on the performed simulations, MOX fuel is potentially safer than Zirconium alloy fuel in a practical setting.

This thesis is a follow up on "SPARC fast reactor design: Design of two passively metal-fuelled sodium-cooled pool-type small modular fast reactors with Autonomous Reactivity Control" by Tobias Lindström (2015). In this thesis the two reactors designed by Lindström in said thesis were evaluated. The goal was to determine the reactors ability to load follow as well as the burnup of the neutron absorber used in the passive control system. To be able to determine the dynamic behaviour of the reactors the reactivity feedbacks of the cores were modelled using Serpent, a Monte Carlo simulation software for 3D neutron transport calculations. These feedbacks were then implemented into a dynamic simulation of the core, primary and secondary circulation and steam generator. The secondary circulation and feedwater flow were used to regulate steam temperature and turbine power. The core was left at constant coolant flow and no control rods were used. The simulations showed that the reactor was able to load follow between 100 % and 40 % of rated power at a speed of 6 % per minute. It was also shown that the reactor could safely adjust its power between 100 % and 10 % of rated power suggesting that load following is possible below 40 % of rated power but at a lower speed. Finally the reactors were allowed compensate for the variations in a week of the Latvian wind power production in order to show one possible application of the reactor.

Safety and reliability are one of the key objectives for future Generation IV nuclear energy systems. The neutron flux monitoring system forms an integral part of the safety design of a nuclear reactor and must be able to detect any irregularities during all states of reactor operation. The work in this thesis mainly concerns the detection of in-core perturbations arising from unwanted movements of control rods with in-vessel neutron detectors in a sodium-cooled fast reactor. Feasibility study of self-powered neutron detectors (SPNDs) with platinum emitters as in-core power profile monitors for SFRs at full power is performed. The study shows that an SPND with a platinum emitter generates a prompt current signal induced by neutrons and gammas of the order of 600 nA/m, which is large enough to be measurable. Therefore, it is possible for the SPND to follow local power fluctuations at full power operation. Ex-core and in-core detector locations are investigated with two types of detectors, fission chambers and self-powered neutron detectors (SPNDs) respectively, to study the possibility of detection of the spatial changes in the power profile during two different transient conditions, i.e. inadvertent withdrawal of control rods (IRW) and one stuck rod during reactor shutdown (OSR). It is shown that it is possible to detect the two simulated transients with this set of ex-core and in-core detectors before any melting of the fuel takes place. The detector signal can tolerate a noise level up to 5% during an IRW and up to 1% during an OSR.

Les barres de commande du futur démonstrateur de réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium (RNR – Na) nommé ASTRID sont constituées de pastilles de B4C enfermées dans une gaine en acier inoxydable AIM1 (15Cr-15Ni-0,4Ti). En service, les pastilles de B4C sont plongées dans le sodium liquide à une température allant de 500 à 600 °C. Les retours d’expérience des RNR - Na ont mis en évidence que la durée de vie des barres de commande était limitée par leur cinétique de carburation. Cependant, un phénomène de boruration des gaines a été observé lors d’essais réalisés « hors réacteur / hors irradiation ». Afin de maîtriser la durabilité des barres de commandes, il est donc nécessaire d’évaluer précisément la nature de l’interaction entre les gaines en acier et le B4C dans le sodium liquide. Ainsi, deux campagnes d’essai ont été menées : 1. Trois aciers inoxydables (AIM1, 316L et EM10) ont été exposés dans du sodium liquide fortement carburant (ac > 1) à 500, 600 et 650 °C. 2. Les mêmes nuances d’aciers ont été exposées dans du sodium liquide contenant de la poudre de B4C en excès à 500 et 600 °C. La première campagne a été réalisée pour avoir une meilleure compréhension des mécanismes et des cinétiques de carburation des barres de commande. Tout d’abord, l’état de carburation a été caractérisé finement au moyen de différentes techniques d’analyse (microsonde de Castaing, diffraction des rayons X du rayonnement synchrotron, microscopie électronique en transmission). Ensuite, la cinétique de carburation a été simulée à l’aide d’un modèle analytique simplifié de la carburation puis grâce à un outil commercial plus complet de simulation numérique de la diffusion à l’équilibre thermodynamique (DICTRA). Des écarts ont été observés entre les simulations des états de carburation réalisées avec DICTRA et les mesures expérimentales (profil de concentration en carbone et population de carbures). Afin de prédire au mieux l’état de carburation des aciers rencontré à 500 et 600 °C, il a notamment été démontré qu’il est probablement nécessaire de prendre en compte la diffusion du carbone dans les joints de grains et un écart à l’équilibre thermodynamique entre le carbone piégé dans les carbures et le carbone dissout dans la matrice. La deuxième campagne expérimentale a concerné l’étude du système : acier – B4C – Na. Des caractérisations couplées à des études thermodynamique et cinétique ont permis de proposer un mécanisme de carburation et de boruration des aciers. Après la dissolution du B4C dans le sodium, deux phénomènes ont été observés. Le bore réagit avec les aciers pour former une couche duplexe de borures à la surface (MB, M2B) et des borures dans les joints de grains du substrat. La cinétique de formation de la couche de borures dans les aciers suit une loi parabolique. Le carbone entraine une légère carburation des aciers plus en profondeur et le degré de carburation des aciers s’est avéré constant entre 250 et 3000 h d’exposition, ce qui suggère que le phénomène de carburation s’opère probablement avant la formation d’une couche continue de borures. / Pellets of boron carbide, B4C, enclosed in AIM1 (15Cr-15Ni-0.4Ti) stainless steel tubes are constitutive materials of the control rods in the future French Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration (ASTRID). During reactor operation, the B4C pellets are immersed in liquid sodium in the temperature range 773-873 K. Based on the feedback from operation of former Sodium Fast Reactors (SFR), the lifetime of the control rods has been shown to be limited by their carburization kinetics. Although, boriding of the steels was observed in out-ofpile studies. In order to increase the lifetime prediction of the aforementioned components in service, detailed information on the chemical interaction between the steel and B4C in liquid sodium is required. As a result, two sets of out-of-pile experiments were conducted: 1. Three stainless steels (AIM1, 316L, EM10) were exposed to highly carburizing sodium (ac > 1) at 773, 873 and 923 K. 2. The same grades were exposed to high purity B4C powder in liquid sodium at 773 and 873 K. The first campaign was performed in order to have a better understanding of the carburization phenomenology and kinetics of the control rods. The extent of carburization was evaluated. A good description of the carburization kinetics was obtained by means of two models and a simulation tool (DICTRA). The limits of the simulation tools were exposed. It was shown that the grain boundary diffusion of carbon had to be taken into account. The second set of experiments was carried out in order to study the system: steel – B4C – Na. A thorough examination of the nature of the chemical interaction was performed. The characterizations were combined with a thermodynamic and kinetic study to propose a carburization and boriding mechanism. The B4C powder dissolved in liquid sodium and reacted with the steels to form a boride layer (MB and M2B) at the surface, borides in the grain boundaries and a carburized zone underneath. The growth kinetics of the boron affected zone was shown to be parabolic. The carburization depth did not evolve between 250 and 3000 h and suggested that this phenomenon occurred during a transient stage.

Cette thèse se situe dans le cadre du projet ASTRID du CEA. La surveillance de la présence de gaz dans un RNR est importante pour son fonctionnement en toute sécurité. Cette thèse porte sur la détection et la caractérisation de présence de gaz par un débitmètre à distorsion de flux (DDF). Du point de vue technologique, l’objectif est d’évaluer la faisabilité de l’utilisation d’un DDF, et s’il est possible de mesurer le débit et le taux de vide simultanément avec un DDF. Du point de vue de la physique, le DDF mesure la perturbation du flux magnétique due aux courants de Foucault induits par l’hydrodynamique d’un écoulement de liquide conducteur. En présence de vide dans le conducteur, une nouvelle source de perturbation apparaît du fait de la modification, par le taux de vide, de la distribution du champ magnétique. En effet, la présence de vide agit sur les distributions locales de courants électriques dues au couplage des phénomènes d’induction et de forces de Lorentz. Notre objectif est de comprendre la nature de ces couplages et de proposer une méthode qui permette de caractériser la présence de vide à partir du signal de sortie du DDF, de mesurer le taux de vide et d’étudier la sensibilité de cette mesure aux variations des paramètres de l’écoulement et du champ électromagnétique (vitesse et pulsation, en particulier). Dans ce travail, des expériences spécifiques ont été développées pour étudier les effets de la vitesse, du taux de vide et de la pulsation du flux magnétique sur la réponse d’un DDF. Ces expériences modélisent un écoulement diphasique idéal (écoulement piston) consistant en une barre mobile d’aluminium contenant des trous et des cannelures pour simuler le taux de vide. Dans ces expériences la vitesse, le taux de vide et la pulsation sont parfaitement contrôlé et leur domaine de variations sont les suivants : 0<U<1 m/s pour la vitesse, 0< <6.9% pour le taux de vide et 1500<<12000 rad/s pour la pulsation (dans cette gamme de pulsations, on notera que la profondeur de pénétration du champ électromagnétique est de l’ordre de, mais plus petit que, le rayon du barreau d’aluminium). Une méthode d’ellipse-fitting appliqué au signal de sortie du DDF a été utilisée pour caractériser l’effet du taux de vide. Les résultats montrent que le DDF est sensible pour des fractions volumique de vide entre 0.3 % and 6.9% . En outre, la réponse aux variations de taux de vide est insensible à la vitesse du barreau. Cette technique est peu adaptée aux mesures des faibles taux de vide (< 0.1%). Une deuxième approche a été développée, sur la base de l’analyse du signal démodulé du DDF. Cette analyse s’appuie sur un modèle théorique du flux magnétique obtenu par un développement au 1er ordre par rapport à U et a. Ce modèle permet d’interpréter les résultats expérimentaux en termes de contributions de U et a au flux magnétique. Malgré le couplage fort entre l’induction Faraday et les forces de Lorentz, les résultats montrent que les contributions de U et alpha peuvent être séparées correctement pour des petites valeurs du nombre de Reynolds magnétique (Rem < 0.12), et de faible taux de vide ( < 6.9%). Un résultat très important est que la contribution de a sur le flux magnétique est insensible aux variations de vitesse dans cette gamme de Rem . De plus, l’effet de la géométrie du vide a été étudié pour deux configurations : cannelures et trous. Il a été observé que la géométrie du vide n’a pas d’effet sur les variations du flux magnétique avec a. Cette seconde approche est plus sensible aux variations de fraction volumique du vide que la méthode de l’ellipse-fitting. Enfin, des expériences préliminaires avec un liquide métallique (galinstan) contenant des perles de verre, ont été faites et ont montré une bonne sensibilité du signal du DDF avec la vitesse et le taux de vide. En conclusion, ce travail a montré qu’il est possible de mesurer simultanément un taux de vide et un débit pour la gamme de variations des paramètres étudiés. / A Generation IV Sodium cooled Fast Reactor (SFR) is being researched and developed at CEA, Cadarache France under the project named ASTRID. Monitoring gas presence in SFR is important with respect to its safe operation. In accordance with the principles of diversity, techniques based on different measurement principles have been proposed. This thesis concerns the detection and characterization of void using magnetic flux perturbation principle. An Eddy Current Flow Meter (ECFM) device is used for this purpose. From the technological point of view, the objective is to evaluate the feasibility of ECFM as a flow and/or void monitoring/characterizing device; and to determine which parameters are of interest and what are the precision of these measurements; and whether it is possible to measure the flow rate and void fraction simultaneously with the same ECFM device. From the physics point of view, the ECFM system involves the magnetic flux perturbation due to voids in the presence of Faraday induction and Lorentz force effects. Therefore ECFM integrated signal contains informations about the void, Faraday induction and Lorentz force effects based perturbation in magnetic flux and their couplings. Our objective is to understand the nature and extent of these couplings. Specific experiments have been developed to study the effects of flow velocity, void fraction and magnetic flux pulsations on the response of an ECFM. It consists in modeling the two-phase flow by a moving aluminium rod (plug flow) with holes and grooves to simulate voids. Flow velocity range of variation was 0<U<1 m/s, void fraction 0<<6.9% and pulsation 1500<<12000 rad/s (for this range of pulsations the electromagnetic skin depth is of order but smaller than the aluminium rod radius). An ellipse fitting method was proposed to analyze the output signal of the secondary coils. The results show that ECFM is sensitive to void fractions between 0.3 % and 6.9%. Furthermore, the response to void fraction is insensitive to the mean velocity of the twophase medium. A second approach based on demodulation analyses of the secondary coils output signal has been developed. We have proposed a theoretical model based on a first order expansion of magnetic flux in U and a. With this model it was possible to interpret the experimental results in terms of contributions of U and a. Despite the strong coupling between Faraday induction and Lorentz force effects, the results show that the contributions of U and a. can be well separated at low magnetic Reynolds number (Rem < 0.12) and low a values ( < 6.9%). A very important result is that the contribution of _ on magnetic flux is insensitive to variations of velocity in this range of Rem. Moreover, different geometries of void have been studied: grooves and holes. It was observed that the geometry of void do not change the variation of magnetic flux with a. This second approach revealed to be more sensitive to void fraction variations than ellipse fitting method. Finally, preliminary experiments with liquid metal galinstan with glass beads were done, which showed sensitivity of ECFM signal with velocity and void. In conclusion, this work has shown that ECFM can measure simultaneously void and velocity in the range of parameters studied, in particular 0.06%< < 6.9%.

La thèse porte sur la simulation de la thermohydraulique et des transferts thermiques dans un faisceau d'aiguilles d'assemblage combustible de réacteur à neutrons rapides à caloporteur sodium.Des premiers calculs ont été réalisés par une approche moyennée de type RANS à l'aide du code industriel STAR-CCM+. De cette modélisation, il ressort une meilleure compréhension des transferts de chaleur opérés entre les aiguilles et le sodium. Les principales grandeurs macroscopiques de l'écoulement sont en accord avec les corrélations. Cependant, afin d'obtenir une description détaillée des fluctuations de température au niveau des fils espaceur, une approche plus détaillée de type LES et DNS est apparue indispensable. Pour la partie LES, le code TRIO_U a été utilisé. Concernant la partie DNS, un code de recherche a été utilisé. Ces approches requièrent des temps de calculs considérables qui ont nécessité des géométries représentatives mais simplifiées.L'approche DNS permet d'étudier l'écoulement à bas nombre de Prandtl, qui induit un comportement très différent du champ thermique relativement au champ hydraulique. Le calcul LES de l'assemblage montre que la présence du fil espaceur génère l'apparition de points chauds locaux (~20°C) en aval de celui-ci par rapport à l'écoulement sodium, au niveau de son contact avec l'aiguille. Les fluctuations de température au niveau des fils espaceur sont faibles (~1°C-2°C). En régime nominal, l'analyse spectrale montre l'absence de grande amplitude d'oscillations de température à basse fréquence (2-10 Hz); les conséquences sur la tenue mécanique des structures devront être analysées. / The thesis focuses on the numerical simulation of sodium flow in wire wrapped sub-assembly of Sodium-cooled Fast Reactor (SFR).First calculations were carried out by a time averaging approach called RANS (Reynolds- Averaged Navier-Stokes equations) using industrial code STAR-CCM+. This study gives a clear understanding of heat transfer between the fuel pin and sodium. The main variables of the macroscopic flow are in agreement with correlations used hitherto. However, to obtain a detailed description of temperature fluctuations around the spacer wire, more accurate approaches like LES (Large Eddy Simulation) and DNS (Direct Numerical Simulation) are clearly needed. For LES approach, the code TRIO_U was used and for the DNS approach, a research code was used. These approaches require a considerable long calculation time which leads to the need of representative but simplified geometry.The DNS approach enables us to study the thermal hydraulics of sodium that has very low Prandtl number inducing a very different behavior of thermal field in comparison to the hydraulic field. The LES approach is used to study the local region of sub-assembly. This study shows that spacer wire generates the local hot spots (~20°C) on the wake side of spacer wire with respect to the sodium flow at the region of contact with the fuel pin. Temperature fluctuations around the spacer wire are low (~1-2°C). Under nominal operation, the spectral analysis shows the absence of any dominant peak for temperature oscillations at low frequency (2-10Hz). The obtained spectra of temperature oscillations can be used as an input for further mechanical studies to determine its impact on the solid structures.