Monte Carlo-based multi-physics analysis for transients in Light Water Reactors

Die Kernreaktortechnologie ist ein ausgereiftes Feld mit mehreren Jahrzehnten Evolution und wichtigen Akteuren, die auf der ganzen Welt verteilt sind. Ein umfassendes Wissen über diese globale Technologie ist weltweit verfügbar, einschließlich gut etablierter Sicherheitsprinzipien und -praktiken, die hinsichtlich ihrer Verwendung vollständig ausgefüllt werden müssen. In diesem Rahmen ist die kontinuierliche Verbesserung der Sicherheitsstandards der Nuklearindustrie sowie der kommerziellen Ziele von Reaktordesignern und -betreibern eine treibende Kraft für die weltweite Entwicklung hochpräziser Methoden in der Reaktorphysik. ... mehrDiese neuartigen Werkzeuge schlagen normalerweise ein sehr detailliertes Kopplungsschema zusammen mit einer geringeren Anzahl von Approximationen innerhalb des physikalischen Modellierungsansatzes vor.
Dies ist der Treiber für die wissenschaftliche und technologische Frage, die in dieser Arbeit behandelt werden soll, die sich mit der Untersuchung fortschrittlicher Methoden zur Entwicklung gekoppelter neutronisch-thermisch-hydraulischer Berechnungen innerhalb des LWR befasst. Hier, wird ein vielseitiges gekoppeltes Werkzeug zwischen Serpent Monte Carlo-Partikeltransport und SUBCHANFLOW (SCF) -Unterkanal-Thermohydraulikcodes entwickelt, das sich auf transient-Probleme konzentriert, aber auch für stationäre und burnup Berechnungen.
Es wird ein Test, Verifizierungs- und Validierungs-prozess bereitgestellt für verschiedene reale LWR-Geometrien und Betriebsbedingungen für stationäre, burnup und transient Berechnungen durchgeführt, der realistischer numerischer Benchmarks sowie experimenteller Daten berücksichtigt. Die Genauigkeit des Ansatzes wird bewertet, wobei auch ein konsistentes Verhalten aller beteiligten physikalischen Phänomene auf pin-wise-Ebene gezeigt wird.
Der Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung der damit verbundenen Funktionen des Tools, wobei seine Durchführbarkeit für weitere industrieähnliche Anwendungen aufgezeigt wird, wie z.B. die sicherheitsrelevante Analyse für Reactivity Insertion Accidents. Darüber hinaus werden potenzielle Einschränkungen und inhärente Begrenzungen analysiert und verschiedene Pfade vorgeschlagen, was beweist, dass ein MC-basierter Ansatz einen überzeugenden alternativen Pfad für die direkten pin-by-pin full-core LWR-Berechnungen darstellt.

The nuclear reactor technology constitutes a mature field with several decades of evolution and key players distributed all around the world. An in-depth knowledge of this global technology is available worldwide, including well established safety principles and practices to be fulfilled in terms of its use. In this framework, the continuous improvement in nuclear industry safety standards and reactor designers' and operators' commercial goals provides a driving force for the worldwide development of highly accurate methodologies in reactor physics. These novel tools usually propose a highly detailed coupling scheme, together with a lower number of approximations within the physics modeling approach.
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This is the driver for the scientific and technological question to be treated within this work, which is devoted to the investigation of advanced methodologies to develop coupled neutronic-thermal-hydraulic calculations within LWR. Here, a versatile coupled tool between Serpent Monte Carlo particle transport and SUBCHANFLOW (SCF) subchannel thermalhydraulics codes is developed, focused to tackle transient problems, but also suitable for steady-state and burnup calculations.
A testing, verification and validation process is developed for diverse real LWR geometries and operational conditions for steady-state, burnup and transient calculations, considering realistic numerical benchmarks likewise experimental data. The accuracy of the approach is assessed, showing also a consistent behavior of all involved physical phenomena at pin-wise level.
A focus is made on the study of the associated capabilities of the tool, showing its feasibility to further industry-like applications, such as safety-related analysis for Reactivity Insertion Accidents. Moreover, potential constrains and inherent limitations are also analyzed and diverse paths are proposed, proving that an MC-based approach represents compelling alternative path for the direct pin-by-pin full-core LWR calculations.