La chaîne de calcul HEMERA

La chaine de calcul 3D HEMERA (Highly Evolutionary Methods for Extensive Reactor Analyses) permet de simuler en trois dimensions (3D) des accidents de réacteurs nucléaires impliquant des interactions entre la thermohydraulique et la neutronique (accidents de réactivité). L’outil, développé par l’IRSN en étroite collaboration avec le CEA, couple les codes thermohydrauliques CATHARE2 et FLICA4 au code neutronique 3D CRONOS2. Le code CATHARE2 simule, en une dimension (1D), les circuits secondaire et primaire du réacteur à l’exception du cœur ; le code FLICA4 calcule la thermohydraulique du cœur en 3D ; et CRONOS2 détermine le comportement neutronique du cœur en 3D également.

Modèle

Pour développer la chaîne de calcul, une technique explicite de couplage a été adoptée, c’est-à-dire une résolution indépendante des équations neutroniques et thermohydrauliques. Le couplage est ensuite assuré par le transfert des données entre les codes à leurs interfaces et par un algorithme itératif à chaque pas de temps pour la convergence des calculs. Un outil spécifique (logiciel ISAS) est utilisé pour gérer les codes et pour contrôler les échanges de données.

 
Concernant le cœur du réacteur, les calculs neutroniques et thermohydrauliques sont donc effectués en 3D à l’aide des codes CRONOS2 et FLICA4 couplés par ISAS.

 
CRONOS2 résout l’équation de la diffusion à plusieurs groupes d’énergie (deux dans le cas générique des calculs de réacteurs à eau sous pression) par la méthode aux éléments finis mixtes duaux (solveur MINOS). Il permet ainsi d'obtenir la distribution de puissance 3D dans le cœur sur des macro-mailles homogènes (en général, une ou 4 par assemblage de combustible).
FLICA-4 est dédié aux calculs d'écoulements diphasiques (eau liquide et vapeur) pour des régimes permanents ou transitoires. C'est un code de thermohydraulique tridimensionnel utilisant la méthode des volumes finis. L'écoulement diphasique comprenant une phase liquide et une phase vapeur est modélisé par quatre équations de conservation (conservation de la masse de la phase vapeur et conservation de la masse, de l'énergie et de la quantité de mouvement du mélange liquide-vapeur) avec un jeu de lois de fermeture.

 
Quant au reste du réacteur, circuit primaire et circuit secondaire, il est simulé en 1D par le code CATHARE2, développé par le CEA, EDF, AREVA-NP et l'IRSN. Ce code est basé sur un modèle bi-fluide (eau-vapeur) à 6 équations (équation de la masse, de la quantité de mouvement et de l’énergie pour chaque phase), avec un jeu de lois de fermeture.

Application

Dans le cadre des expertises de sûreté des réacteurs, l’IRSN utilise la chaîne de calcul HEMERA pour simuler des accidents de réactivité, en particulier les accidents de refroidissement résultant d’une rupture de tuyauterie de vapeur (RTV, utilisant le couplage des trois codes CATHARE2, CRONOS2 et FLICA4) et l'accident d’éjection d’une grappe de commande (RIA, impliquant un couplage CRONOS2/FLICA4).