Réacteurs nucléaires : de la simulation aux simulateurs - CEA

SIMULER POUR AGIRUn logiciel à structure modulaire régulièrement revalidé1Les principales caractéristiques de Cathare sont les suivantes :• une structure informatique modulaire permettant de modéliserune installation simple, de type analytique, ou complexe, detype “système” (encadré D, Expériences analytiques et expériencesglobales) ou encore un réacteur nucléaire complet ;• différents modules agençables suivant les besoins : ponctuel“0D” (pour décrire des composants comme les grands volumesou les pompes), monodimensionnel “1D” (pour les tuyauteriesou pour une approche simplifiée du comportement de la cuvedu réacteur), tridimensionnel “3D” (pour mieux décrire la distributiongéométriquement complexe des écoulements dansla cuve, par exemple) ;• un modèle de base à deux fluides et six équations (une équationpour chaque bilan – masse, quantité de mouvement, énergie– de chaque phase), capable de prendre en compte les déséquilibresmécaniques (écarts de vitesse entre vapeur et liquideen écoulement cocourant ou contre-courant) et thermiques(surchauffe ou sous-refroidissement d’une phase) ;• un ensemble cohérent et documenté de lois de fermeturequi fait l’objet d’une démarche rigoureuse de validation surtoute l’échelle des expériences disponibles ;• une identification claire des limites d’utilisation des loisphysiques et une méthode intégrée pour l’évaluation de leursincertitudes ;• une méthode numérique (encadré A, Qu’est-ce qu’unesimulation numérique?), implicite en 0D et 1D, semi-impliciteen 3D, robuste et efficace, permettant un bon compromisentre précision et coût du calcul ;• l’édition d’un guide d’utilisation intégrant le retour d’expériencede la phase de validation afin de réduire au minimum“l’effet utilisateur”.Depuis le début des années 1980, parmi la quinzaine de versionsdu logiciel livrées, trois ont fait l’objet d’un programmecomplet de validation.En 1987, Cathare 1 V1.3 (révision 4 des lois physiques) a étéla première version validée pour les accidents de type “petitebrèche” et utilisée comme référence pour la mise au pointdes procédures accidentelles et la réalisation des simulateursSipa ;En 1996, Cathare 2 V1.3L (révision 5) a été la première versionvalidée pour les accidents de type “grosse brèche”, qui sontceux pris en compte dans le dimensionnement des réacteurs ;En 1999, Cathare 2 V1.5 (révision 6), a apporté de nouvellespotentialités pour une modélisation tridimensionnelle de lacuve du réacteur et le calcul parallèle sur plusieurs processeurs(encadré B, Les moyens informatiques de la simulationnumérique hautes performances). Sa validation sepoursuit jusqu’en 2003.Le résultat de ce projet a été la réalisationprogressive d’un logiciel capable de décriretous les phénomènes thermohydrauliquespouvant apparaître durant un accident et couvranttous les régimes d’écoulement diphasique(à bulles, à bouchons, à gouttes, stratifié,annulaire…), dans une vaste gamme deparamètres physiques (pressions de 1 kPa à26 MPa, températures gaz jusqu’à 2 300 K,vitesses jusqu’aux vitesses soniques) etpour une grande variété de configurationsgéométriques (encadré 1).Une validation en deux étapesun millier d’essais réalisés sur 40 installationsdifférentes appartenant au CEA ou à d’autresorganismes français ou étrangers.C’est en quelque sorte un “état des lieux” dela qualité des lois de fermeture développéespour cette révision qui est réalisé. Cette étapepermet, par ailleurs, de déterminer au moyend’une méthode de sensibilité adjointe (ASM)et d’un outil statistique spécifique (CIRCE)l’incertitude sur les principaux paramètresdes lois de fermeture. Cette étape permetégalement de procéder, si nécessaire, àdes améliorations spécifiques d’un modèlephysique particulier.92Vue partielle de l’installationBethsy, exploitée entre 1988 et1998 au centre CEA de Grenoble,représentant à échelle réduite(1/100 en volume, à l’échelle 1en hauteur) l’ensemble descircuits d’un REP de 900 MWe.CEAUn logiciel utilisé pour les démonstrationsde sûreté doit être réalisé avec des règlesclaires d’assurance-qualité et faire l’objetd’une validation rigoureuse. La méthodologiede validation de Cathare s’applique,pour une version dûment référencée, à unensemble cohérent de lois de fermeture quel’on appelle (ainsi que chaque modification)une révision, et qui fait partie intégrante dela version concernée. Deux grandes étapesmarquent ce processus : la qualification etla vérification.L’étape de qualificationLa première étape consiste en une comparaisondes résultats obtenus avec le logicielaux mesures réalisées lors d’expériencesanalytiques (encadré D, Expériences analytiqueset expériences globales). Typiquement,la matrice de qualification d’une révisiondes lois physiques de Cathare comporteL’étape de vérificationLa seconde étape consiste en une comparaisondes résultats obtenus avec lelogiciel aux mesures réalisées sur des installationsexpérimentales intégrales, c’est-àdiredes répliques, à échelle réduite, d’unréacteur nucléaire (encadré 2) où sont simuléesdes situations accidentelles. L’objectifest ici de valider l’ensemble des lois dumodèle sur des scénarios de transitoiresaccidentels au cours desquels existe un fortcouplage entre les différents phénomènesélémentaires.Le dossier de vérification de Cathare comprendenviron trente essais “intégraux” réaliséssur huit installations “systèmes” misesen service depuis le début des années 1980 enFrance (Bethsy) ou à l’étranger. Ici encore,chaque calcul de vérification apparaît commeun “état des lieux” de la capacité du logicielà simuler tel ou tel transitoire. À ce titre,CLEFS CEA - N° 47 - HIVER 2002-2003