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AbstractAbstract
[en] Because the irradiation damage is a major challenge of nuclear materials, it is of upmost importance to accurately calculate it with reliable uncertainty estimates. The main objective of this thesis is to develop and improve the methodologies for computing the neutron irradiation-induced displacement damages as well as their uncertainties. After a brief review on nuclear reaction models and primary radiation damage models, we propose a complete methodology for calculating damage cross sections from different nuclear reactions and the subsequent calculation of Displacement per Atom (DPA) rates.The recoil energies from neutron-induced reactions are summarized with an estimation of the relativistic effect and the target thermal vibration. Particularly, a new method for computing the recoil energy from charged particle emission reactions is proposed by considering both the quantum tunneling and the Coulomb barrier. Some methods are developed to improve and verify numerical calculations. Damage cross section calculations from neutron radiative capture reaction and N-body reactions are also thoroughly analyzed and discussed. In addition to the neutron irradiation-induced displacement damage, the electron, positron, photon-induced DPA cross sections, as well as the beta decay and Fission Products (FPs)-induced damage are also investigated. Orders of magnitude of their relative contributions are given.For the neutron irradiation-induced DPA rate calculation, attention should be paid when using infinite dilution cross sections. E.g., in the ASTRID inner core, the self-shielding correction on ECCO 33-group damage cross sections leads to a 10% reduction of DPA rate, whereas the multigroup correction is still not automatically treated for DPA rate calculation in neutronic codes nor for computing Primary Knock-on Atom (PKA) spectrum. Based on the presently proposed method for computing the FPs-induced DPA by atomistic simulations, the peak value of the FPs-induced DPA rate can be 4 to 5 times larger than the neutron-induced one in the cladding of the ASTRID inner core, even though the penetration of FPs in the Fe-14Cr cladding is less than 10 μm. Therefore, the question of whether the FPs-induced damage should be considered for determining fuel assembly lifetime in fast reactors needs to be discussed.In the reactor vessel of a simplified pressurized water reactor, the covariance matrices of 235U prompt fission neutron spectrum from ENDF/B-VII.1 and JENDL-4.0 respectively lead to 11% and 7% relative uncertainty of DPA rate. Neglecting the correlations of the neutron flux and PKA spectrum results in an underestimation by a factor of 21. The total uncertainties of damage energy rate are respectively 12% and 9%, whereas an underestimation by a factor of 3 is found if the correlations of damage cross section and neutron flux are not considered. (author)
[fr]
Etant donne que les dommages causes par l'irradiation constituent un defi majeur pour les materiaux nucleaires, il est necessaire de calculer precisement ces dommages conjointement avec l'estimation de ses incertitudes. L'objectif principal de cette these est de developper et d'ameliorer les methodologies pour calculer les dommages induits par l'irradiation neutronique ainsi que de proposer une methodologie pour l'estimation de l'incertitude. Apres une breve revue des modeles de reactions nucleaires et des modeles de dommages d'irradiation primaires, on propose des methodes completes pour calculer la section efficace des dommages a partir de differentes reactions nucleaires pour calculer du taux de Deplacement par Atome (DPA). Une interpolation amelioree est proposee pour produire la valeur de crete de la distribution d'energie-angulaire a partir de donnees tabulees. Les energies de recul des reactions induites par les neutrons sont resumees avec une estimation de l'effet relativiste et de la vibration thermique de la cible. En particulier, une nouvelle methode de calcul de l'energie de recul des reactions d'emission de particules chargees est proposee en considerant l'effet tunnel et la barriere Coulombienne. Certaines methodes sont developpees pour ameliorer et verifier les calculs numeriques. Les calculs de la section de dommage provenant de la reaction de la capture et des reactions d'emission de N-corps sont egalement analyses et discutes en profondeur. En plus des dommages induits par l'irradiation neutronique, les sections DPA induites par les electrons, les positons et les photons et les dommages induits par la desintegration beta sont egalement etudiees. Pour le calcul du taux de DPA induit par l'irradiation neutronique, il convient de faire attention lors de l'utilisation de sections a dilution infinie. Par exemple, dans le coeur interne d'ASTRID, la correction d'autoprotection sur la section DPA de ECCO 33-groupe conduit a une reduction de 10% du taux de DPA, tandis que cette correction multi-groupe n'est pas toujours automatiquement traitee pour le calcul de DPA dans les codes neutroniques ni pour le calcul du spectre Primary Knock-on Atom (PKA). En plus des dommages par les neutrons, une methode generale est proposee pour calculer les dommages de deplacement induits par les Produits de Fission (PFs) avec des simulations de collisions atomistiques. Elle montre que la valeur de crete du taux de DPA induit par les PFs peut etre 4 a 5 fois superieure a celle induite par les neutrons dans la gaine du coeur interne d'ASTRID, meme si la penetration des PFs dans la gaine Fe-14Cr est inferieure a 10 μm. Par consequent, la question si les dommages induits par les PFs doivent etre pris en compte pour determiner la duree de vie des assemblages combustibles dans les reacteurs rapides doit etre discutee. Dans la cuve d'un reacteur a eau pressurisee, les matrices de covariance du spectre de neutrons prompts de fission de 235U venant de ENDF/B-VII.1 et JENDL-4.0 conduisent respectivement a une incertitude de 11% et 7% du taux de DPA. Negliger les correlations du flux de neutrons et du spectre PKA entraine une large sous-estimation d'un facteur de 21. Les incertitudes totales du taux de dommages sont respectivement de 12% et 9%, tandis que les nulles valeurs des correlations de la section efficace de dommage et du flux de neutron conduisent a une reduction de l'incertitude par un facteur de 3Original Title
Maitrise des biais et incertitudes des sections efficaces et de la modelisation de la cinematique associees aux reactions nucleaires conduisant aux dommages dans les materiaux sous irradiation
Primary Subject
Source
25 Sep 2020; 198 p; 181 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; Mecanique des Fluides, Energetique, Procedes
Record Type
Report
Literature Type
Thesis/Dissertation
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