A high-fidelity multiphysics system for neutronic, thermalhydraulic and fuel-performance analysis of Light Water Reactors

Das Verhalten des Kerns in einem Leichtwasserreaktor (LWR) wird von neutronenphysikalischen, thermohydraulischen und thermomechanischen Phänomenen dominiert. Komplexe Rückkopplungsmechanismen verbinden diese physikalischen Bereiche. Einer der aktuellen Tendenzen in der Reaktorphysik ist daher die Implementierung von Multiphysik-Methoden, die diese Wechselwirkungen erfassen, um eine konsistente Beschreibung des Kerns zu liefern. Ein weiterer wichtiger Arbeitsbereich ist die Entwicklung von High-Fidelity-Rechenprogrammen, die die Modellierungsauflösung erhöhen und starke Vereinfachungen eliminieren, die in räumlich homogenisierten Simulationen verwendet werden. ... mehrMultiphysik- und High-Fidelity-Methoden sind auf die Verfügbarkeit von Hochleistungsrechnern angewiesen, die die Machbarkeit und den Umfang dieser Art von Simulationen begrenzen.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Multiphysik-Simulationssystems, das in der Lage ist, gekoppelte neutronenphysikalische, thermohydraulische und thermomechanische Analysen von LWR-Kernen mit einer High-Fidelity-Methodik durchzuführen. Um dies zu erreichen, wird die Monte-Carlo-Teilchentransportmethode verwendet, um das Verhalten der neutronenphysikalischen Effekte zu simulieren, ohne auf größere physikalische Näherungen zurückzugreifen. Für die Abbrandrechnungen bezüglich des gesamten Kerns, wird eine gebietsbezogene Datenaufteilung der Partikelverfolgung vorgeschlagen und implementiert. Die Kombination der Monte-Carlo-Methode mit der Thermohydraulik auf Unterkanalebene und eine vollständige Analyse des Brennstoffverhaltens aller Brennstäbe beschreibt eine extrem detaillierte Darstellung des Kerns. Die erforderliche Rechenleistung erreicht die Grenzen aktueller Hochleistungsrechner. Auf der Softwareseite wird ein innovativer objektorientierter Kopplungsansatz verwendet, um die Modularität, Flexibilität und Wartbarkeit des Programms zu erhöhen.

Die Genauigkeit dieses gekoppelten Systems von drei Programmen wird mit experimentellen Daten von zwei in Betrieb befindlichen Kraftwerken, einem Pre-Konvoi DWR und dem Temelín II WWER-1000 Reaktor, bewertet. Für diese beiden Fälle werden die Ergebnisse der Abbrandrechnung des gesamten Kerns anhand von Messungen der kritischen Borkonzentration und des Brennstabneutronenflusses validiert. Diese Simulationen dienen der Darstellung der hochmodernen Modellierungsfähigkeiten des entwickelten Werkzeugs und zeigen die Durchführbarkeit dieser Methodik für industrielle Anwendungen.

The behavior of the core in a Light Water Reactor (LWR) is dominated by neutronic, thermalhydraulic and thermomechanic phenomena, as well as a complex set of feedback mechanisms between these physical domains. Thus, one of the current trends in computational reactor physics is the implementation of multiphysics applications that can capture these interactions to provide a consistent description of the core. Another key line of work is the development of high-fidelity numerical tools that increase the modelling resolution and eliminate strong approximations used in nodal-level solvers. ... mehrMultiphysics and high-fidelity methods rely on the availability of High Performance Computing (HPC) systems, which determine the feasibility and scope of this type of simulations.

The aim of this thesis is the development of a multiphysics system capable of performing coupled neutronic, thermalhydraulic and fuel-performance analysis of LWR cores using a high-fidelity methodology. To achieve this, the continuous-energy Monte Carlo particle transport method is used to simulate the neutronic behavior without relying on major physical approximations. To handle full-core pin-by-pin burnup calculations, a data decomposition scheme with a domain decomposition particle tracking method is proposed and implemented. Combining Monte Carlo neutronics with subchannel-level thermalhydraulics and full fuel-performance analysis of all fuel rods, an extremely detailed representation of the core is achieved, pushing the computational requirements to the limits of HPC systems. From the software perspective, an innovative object-oriented coupling approach is used to increase the modularity, flexibility and maintainability of the tool.

The accuracy of this three-code system is evaluated using experimental data from two operating power plants, a Pre-Konvoi PWR and the Temelín II VVER-1000 reactor. For these two cases, the results of full-core burnup calculations are validated using critical boron concentration and pin-level neutron flux measurements. These simulations serve to illustrate the cutting-edge modelling capabilities of the developed tool and to assess the feasibility of this methodology for industrial applications.