Travail sur les m´ ethodes de couplage

12.2.1 Pas de temps fixe

On fait appel ici aux m´ethodes de couplage en transitoire, pr´esent´ees au chapitre 4, pour tenter d’am´eliorer la pr´ecision du calcul quasi-statique avec des pas de temps ∆t de 10−5s (δt vaut toujours 10−7s). Explicitons pour commencer les diff´erentes approches test´ees. Nous verrons qu’elles se concentrent sur la r´eactivit´e, qui est ici, comme souvent, l’information la plus importante issue du calcul spatial.

a. Pr´esentation des m´ethodes utilis´ees

Gauss-Seidel : Comme dans l’algorithme IQM original (voir section 11.2.4), on r´ep`ete ici le calcul de chaque pas de temps ∆t jusqu’`a convergence (voir section 4.1.3 pour l’utilisation

12.2 Travail sur les m´ethodes de couplage 173

de Gauss-Seidel dans un couplage en temps). La r´eactivit´e et le rayon de la sph`ere sont uti- lis´es comme crit`eres de convergence (on consid`ere l’´ecart entre deux it´erations successives ; les crit`eres sont de 0.1pcm et de 10−5cm respectivement). La condition (11.7) ne peut pas ˆetre uti- lis´ee : `a cause de l’introduction de calculs non neutroniques, cette condition n’est pas toujours respect´ee `a la convergence. Il est alors particuli`erement important de renormaliser la forme obtenue pour imposer le respect de (11.7), pour que les ´equations de la cin´etique point, bas´ees sur cette condition, restent justes. A partir de la deuxi`eme it´eration, la r´eactivit´e est interpol´ee lin´eairement, pour les calculs de cin´etique point, entre t et t + ∆t :

ρ(t + mδt) ≈ ρ(t) +mδt

∆t (ρ(t + ∆t) − ρ(t)).

Extrapolation lin´eaire : Il s’agit du ”traitement d’ordre plus ´elev´e des non-lin´earit´es”, expliqu´e section 4.2.2, et appliqu´e `a la r´eactivit´e. Ainsi on cherche `a pr´edire, pour les calculs de cin´etique point, la r´eactivit´e en t + mδt en fonction de la r´eactivit´e en t et en t − ∆t. Cela donne (une seule it´eration est faite par pas de temps) :

ρ(t + mδt) ≈ ρ(t) +mδt

∆t (ρ(t) − ρ(t − ∆t)).

Contre-r´eaction : On cherche ici aussi `a pr´edire la r´eactivit´e en t + mδt, mais cette fois en ne supposant plus la lin´earit´e par rapport au temps, mais par rapport `a un r´esultat du calcul m´ecanique (qui est fait tous les δt, comme la cin´etique point). On introduit ainsi un retour dans le chaˆınage d´ecrit figure 12.5. On choisit comme variable le rayon de la sph`ere, not´e ici r, et on suppose que la r´eactivit´e est lin´eaire entre le rayon initial et le rayon courant, (et pas sur un intervalle ∆t par exemple) pour ´eviter les erreurs num´eriques lorsque la d´eriv´ee en temps de cette variable s’annule. On ´ecrit ainsi (l`a encore, une seule it´eration est faite par pas de temps) :

ρ(t + mδt) ≈ ρ(t) +ρ(t) − ρ(0)

r(t) − r(0)(r(t + mδt) − r(t)).

Pas de temps d´ecal´es : Nous citons cette m´ethode pour expliquer qu’elle ne semble a priori pas adapt´ee au quasi-statique. L’id´ee, expos´ee `a la section 4.2.1, est de d´ecaler d’un demi pas de temps l’ex´ecution des disciplines coupl´ees pour qu’elles utilisent chacune les informations de milieux de pas de temps de l’autre. Cependant, dans le couplage calcul d’amplitude - calcul de forme, expos´e en d´etail section 11.2.5, on utilise d´ej`a des informations de d´ebut et de fin de pas de temps ∆t issues de la cin´etique point (notamment pour le calcul des pr´ecurseurs dans l’´equation de forme). A cause de cela, il n’a pas ´et´e trouv´e de sch´ema de couplage tirant r´eellement parti de l’id´ee d’un d´ecalage des pas de temps.

b. Interpr´etation des r´esultats

Grandeur IQM IQM Gauss- Extra- Contre- ∆t = 10−7s ∆t = 10−5s Seidel polation r´eaction

lin´eaire Puissance 10.9GW 16.4GW 10.5GW 12.6GW 11.0GW maximale El´evation de 66K 89K 64K 72K 66K temp´erature moyenne finale Variation de 0.27% 0.37% 0.27% 0.30% 0.28% volume

Temps de 5h57 13min 25min 14min 14min

calcul

Tableau 12.3 – R´esultats obtenus, sur Godiva, avec des pas de temps fixes ∆t = 10−5s et l’approche IQM, pour diff´erentes techniques de couplage.

Toutes les techniques de couplage test´ees ici am´eliorent significativement les r´esultats en les rapprochant de ceux du calcul converg´e ”IQM ∆t = 10−7s”. Les it´erations de Gauss-Seidel sont n´eanmoins coˆuteuses en temps de calcul et conduisent `a sous-estimer l´eg`erement le pic de puissance, probablement `a cause de l’hypoth`ese de variation lin´eaire en temps de la r´eactivit´e qui y est faite. En r´ealit´e, `a cause des oscillations visibles figure 12.9, la d´eriv´ee seconde en temps de la r´eactivit´e est forte. La m´ethode d’extrapolation lin´eaire souffre du mˆeme inconv´enient, renforc´e par la distance entre les points connus de r´eactivit´e et ceux pr´edits. La m´ethode de contre-r´eaction, elle, ne suppose qu’une relation lin´eaire entre la r´eactivit´e et un r´esultat de la thermo-m´ecanique calcul´e `a chaque δt. Cela explique que la m´ethode soit la plus pr´ecise, alors mˆeme qu’elle n’affecte pas le temps de calcul.

On donne figure 12.10 l’´evolution de la r´eactivit´e des diff´erentes techniques test´ees ici. Le manque de pr´ecision de l’approche initial est visible. On voit ´egalement nettement les erreurs commises par l’extrapolation lin´eaire `a proximit´e des extremums : la d´eriv´ee seconde de la r´eactivit´e y est maximale. Les pas de temps utilis´es sont trop grands pour cette approche. Les m´ethodes de Gauss-Seidel et `a contre-r´eaction permettent quant `a elles de lisser efficacement la courbe et de se rapprocher de la r´ef´erence. L’effet de l’hypoth`ese de lin´earit´e dans l’algorithme de Gauss-Seidel est visible au niveau du premier minimum de r´eactivit´e : le pic est l´eg`erement ´ecrˆet´e.

12.2 Travail sur les m´ethodes de couplage 175

Figure 12.10 – Evolution de la r´eactivit´e, pour diff´erentes techniques de couplage, avec ∆t = 10−5s et l’approche IQM, pendant le transitoire coupl´e de Godiva.

Il est int´eressant de voir au passage que l’´etat final n’est pas un ´etat v´eritablement station- naire puisque la r´eactivit´e est diff´erente de 0. C’est un ´etat stationnaire du point de vue des neutrons prompts : la r´eactivit´e finale est inf´erieure au βef f et la puissance a diminu´e jusqu’`a

ce que le flux soit en ´equilibre avec les pr´ecurseurs. Sur une plus grande ´echelle de temps, on verrait une comp´etition entre l’augmentation naturelle de la puissance, pilot´ee par la vitesse d’´evolution des concentrations de pr´ecurseurs, et la dilatation de la sph`ere (conduisant `a une baisse de r´eactivit´e), jusqu’`a ce que la r´eactivit´e ne devienne n´egative, et que la r´eaction en chaˆıne ne s’´etouffe d’elle-mˆeme.

c. Note sur la m´ethode de contre-r´eaction

Nous avons suppos´e ici que la r´eactivit´e variait lin´eairement avec le rayon de la sph`ere pour d´efinir la m´ethode de contre-r´eaction. Grˆace `a la faible d´eformation du syst`eme, le probl`eme est bien lin´eaire et cette m´ethode donne de bons r´esultats. Il est cependant l´egitime de s’interroger sur la g´en´eralisation de cette m´ethode `a d’autres cas d’application. Il est en fait tout `a fait possible de d´efinir des contre-r´eactions spatiales dans le cas g´en´eral, `a condition que Φ∗<sub>0</sub> soit utilis´e comme fonction de pond´eration et que le syst`eme n’ait pas trop ´evolu´e depuis t = 0.

Supposons que l’on connaisse `a l’instant t la r´eactivit´e ρ(t), la forme du flux F (t) et les diff´erents op´erateurs intervenant dans la d´efinition de la r´eactivit´e en cin´etique (11.10). Pour simplifier la suite, on notera simplement H = T r + D − F − S. On cherche `a pr´evoir la valeur de ρ en t + δt sans refaire un calcul de forme. Explicitons l’incr´ement de r´eactivit´e entre t et t + δt (les op´erateurs, le forme du flux et la r´eactivit´e ont ´evolu´e d’un ”δX” entre t et t + δt) :

δρ = ρ(t + δt) − ρ(t) = −h(H(t) + δH)(F (t) + δF ), Φ ∗ 0i h(F (t) + δF )(F (t) + δF ), Φ∗ 0i +hH(t)F (t), Φ ∗ 0i hF (t)F (t), Φ∗ 0i . En n´egligeant les termes de second ordre en les perturbations, on arrive `a :

δρ ≈ −hδHF (t) + H(t)δF , Φ

∗ 0i

Le flux adjoint v´erifie l’´equation adjointe (voir section 6.3.1 pour une pr´esentation de l’ad- joint), c’est `a dire H(0)∗Φ∗₀ = 0. Ainsi on a :

δρ ≈ −hδHF (t) + (H(t) − H(0))δF , Φ ∗ 0i hF (t)F (t), Φ∗ 0i .

Sous l’hypoth`ese que la perturbation de l’op´erateur H, entre 0 et t, est petite, il est possible d’´ecrire : δρ ≈ − hδHF (t), Φ ∗ 0i hF (t)F (t), Φ∗ 0i .

Si on est capable de relier les perturbations des variables non neutroniques `a celles de H, cette derni`ere ´equation permet de d´efinir des contre-r´eactions spatiales. On remarque qu’il s’agit de la formule de perturbation classique d´ej`a vue pr´ec´edemment (6.5) dans le cas critique. Notons ´egalement que ce calcul n’est valable que si Φ∗₀est utilis´e comme fonction de pond´eration dans la condition (11.7).

En outre, rien n’empˆeche de prendre une fonction de pond´eration d´ependante du temps, ce qui pourrait permettre de se passer de l’hypoth`ese que H varie peu entre 0 et t.

12.2.2 Pas de temps variable

Le choix d’un pas de temps est toujours une affaire de compromis entre temps de calcul et pr´ecision. Si les m´ethodes pr´esent´ees pr´ec´edemment permettent d’utiliser de plus grands pas de temps, elles n’´eliminent pas cette tension et ne donnent pas d’information sur la pr´ecision atteinte. En outre, il y a souvent diff´erentes phases dans un transitoire, et utiliser un pas de temps unique ne peut alors pas ˆetre optimal.

Nous avons test´e deux techniques classiques pour adapter automatiquement le pas de temps :

Pas de temps adaptatif : L’id´ee derri`ere cette strat´egie est que la condition (11.7) donne une information simple sur l’erreur num´erique faite lors d’un calcul de forme. On utilise la technique de Gauss-Seidel, initialis´ee par celle de contre-r´eaction. A la fin de chaque pas de temps ∆t, on consid`ere l’erreur sur la condition de normalisation (11.7). Si elle est sup´erieure `a un certain crit`ere (3% dans notre cas), l’intervalle de temps est recalcul´e avec des pas de temps divis´es par deux. A l’inverse, si l’erreur est inf´erieure `a une borne minimale (1.35% dans notre cas), le pas de temps est multipli´e par deux pour la suite. La valeur initiale et maximale de ∆t est fix´ee `a 27_{δt = 1.28 10}−5_{s. Sa valeur minimale est bien sˆur δt (soit 10}−7_s).

Pas de temps pr´edictif : Cette fois-ci on cherche `a ´eviter d’avoir `a refaire un calcul. Consid´erons l’´equation d’´evolution de la forme dans le syst`eme quasi-statique (11.12). La source principale d’erreur dans son int´egration num´erique est probablement l’incoh´erence dans le ratio

1 N

dN

dt entre cin´etique spatiale et cin´etique point. D’apr`es les ´equations ponctuelles, il est ´egal ` a ρ − βef f Λ + 1 N P

lλlcl. Cette quantit´e varie principalement `a cause de ρ, dont on utilise donc

la variation pour d´eterminer quand faire un calcul de forme. On utilise ici la m´ethode de contre-r´eaction. Quand l’´ecart entre la r´eactivit´e pr´edite et la r´eactivit´e calcul´ee par le calcul

12.2 Travail sur les m´ethodes de couplage 177

de forme pr´ec´edent est sup´erieur `a un certain crit`ere (5pcm ici), un calcul de forme est fait imm´ediatement. Un maximum de 128 pas de temps δt par pas de temps ∆t est fix´e. Le crit`ere de 5pcm a ´et´e choisi pour donner des pas de temps similaires `a la m´ethode `a pas de temps adaptatifs `a la premi`ere oscillation de r´eactivit´e.

Les principaux r´esultats obtenus avec ces m´ethodes sont donn´es tableau 12.4.

Grandeur Ref. QS, Pas de temps Pas de temps

∆t = 10−7s adaptatif pr´edictif Puissance 10.9GW 10.8GW 10.9GW maximale El´evation de 66K 65K 66K temp´erature moyenne finale Variation de 0.27% 0.27% 0.27% volume

Temps de 5h57 39min 16min

calcul

Tableau 12.4 – R´esultats obtenus, sur Godiva, avec diff´erentes techniques d’adaptation du pas de temps et l’approche IQM.

Les deux m´ethodes permettent d’obtenir des r´esultats tr`es proches de la r´ef´erence. Comme on pouvait s’y attendre, la m´ethode `a pas de temps pr´edictifs est plus rapide puisqu’aucun calcul n’a eu besoin d’ˆetre refait.

L’´evolution de la taille des pas de temps est donn´ee figure 12.11. Les deux strat´egies s’adaptent bien `a l’´evolution du transitoire. Le pas de temps est maximal au d´ebut, avant que la sph`ere ne se dilate, devient minimum pour le pic de puissance, r´eaugmente r´eguli`erement `a chaque extremum de la courbe de r´eactivit´e et tend `a raugmenter `a la fin du transitoire.

Figure 12.11 – Evolution de la taille des pas de temps ∆t, selon deux techniques d’adaptation du pas de temps, pendant le transitoire coupl´e de Godiva, et avec l’approche IQM.

Il y a cependant quelques diff´erences dans les pas de temps s´electionn´es par les deux strat´egies. La m´ethode pr´edictive n’est pas limit´ee `a un nombre de pas de temps δt conte- nus par ∆t en puissance de deux, ce qui permet une adaptation plus fine aux minimums. On note ´egalement des pas de temps sensiblement plus grands que la m´ethode adaptative aux ex- tremums et `a la fin du transitoire. Cette diff´erence est due au caract`ere oscillant de la r´eactivit´e. L’´ecart entre valeur courante et valeur de d´ebut de pas de temps n’est pas assez grand pour provoquer un calcul de forme dans la m´ethode pr´edictive, mais cause une erreur cumul´ee vue par la m´ethode adaptative. D´efinir un crit`ere bas´ee sur une int´egrale de l’´ecart de r´eactivit´e pour la m´ethode pr´edictive pourrait se r´ev´eler plus pertinent ou compl´eter la m´ethode.