Validation of an isotope evolution model for APOLLO3 calculations in SFR core

Nowadays, reactor simulations are performed using a multi-step approach. Two steps are defined: lattice and core. The former implies a cell or assembly geometry and a finer energy and spatial discretization, whereas the latter uses the cross sections condensed from the lattice step, and stocked in proper libraries, to perform whole core calculation with a broader energy and spatial discretization. At core step, different depletion models are currently used to account for composition changes in the materials during the reactor operation. They are divided in two major categories: macroscopic depletion and micro-depletion. While the first simply extrapolates the macroscopic cross sections from libraries parametrized in burn-up, the second solves the depletion equations in the core geometry. Concerning the microscopic cross sections used in this model, actual ECCO/ERANOS calculation schemes for SFR assume the “time 0” hypothesis: only one energy condensation is required at time zero, because microscopic cross sections do not vary during the irradiation. On the contrary, for PWR, the actual APOLLO2/CRONOS2 micro-depletion model does not make this assumption. It uses microscopic cross section libraries parametrized in burn-up instead, requiring more than one energy condensation at lattice step (“evolving” libraries). The aim of this work is the validation of the “time 0” hypothesis for the CFV core of the new SFR prototype ASTRID, using the new multi-purpose nuclear code APOLLO3. To do so, 3 different 2D geometries will be studied: a cell, a fissile-fertile cluster and a core plan. For these geometries, it will be shown that the “time 0” hypothesis introduces a reactivity difference due to a change in the flux spectrum the microscopic cross sections are condensed with. This difference, nevertheless, is small and it can be eliminated using a microscopic model with “evolving” libraries whose parametrization is composed by only two burn-up tabulation points: the initial point and the final one. This model will result in the required accuracy only by doubling the calculation time at lattice step and the memory storage for the libraries. For the cell case, lattice depletion calculations will be validated with respect to Monte Carlo evolving TRIPOLI4 calculations and ECCO/ERANOS ones.

Al giorno d'oggi, la simulazione di un reattore nucleare è fatta usando un approccio a più passi. Due sono quelli che si utilizzano: lattice e core. Il primo implica una geometria di cella o assemblaggio ed una raffinata discretizzazione spaziale ed energetica, mentre il secondo usa le sezioni d'urto condensate al passo precedente, e stoccate in adeguate biblioteche, per eseguire i calcoli sul core completo, con una discretizzazione spaziale ed energetica più lasca. Al momento, nei calcoli di core, si usano più modelli di evoluzione. Questi permettono di rappresentare il cambio di composizione dei materiali durante l'esercizio del reattore. Sono divisi in due categorie principali: evoluzione macroscopica e micro-evoluzione. Mentre il primo estrapola semplicemente le sezioni d'urto macroscopiche dalle biblioteche parametrizzate in burn-up, il secondo risolve le equazioni di evoluzione nella geometria del core. Per quanto riguarda le sezioni d'urto microscopiche usate in questo secondo modello, gli attuali schemi di calcolo ECCO/ERANOS per reattori veloci raffreddati a sodio (SFR) assumono l'ipotesi di ``tempo 0'': solo la condensazione energetica fatta all'inizio dell'evoluzione è richiesta, poiché le sezioni d'urto microscopiche non variano sotto irradiazione. Al contrario, per i PWR, il modello di micro-evoluzione di APOLLO2/CRONOS2 non fa questa ipotesi. Utilizza invece delle biblioteche di sezioni d'urto microscopiche parametrizzate in burn-up, che richiedono più di una condensazione energetica a livello lattice (biblioteche ``evolventi''). Lo scopo di questo lavoro è la validazione dell'ipotesi di ``tempo 0'' per il core CFV del nuovo prototipo di SFR ASTRID, utilizzando il nuovo codice nucleare multi-filiera APOLLO3. Per fare ciò, sono state studiate 3 differenti geometrie 2D: una cella, un cluster fissile-fertile e una sezione di core. Per queste geometrie è possibile osservare che l'ipotesi di ``tempo 0'' introduce una differenza di reattività legata ad un cambiamento di spettro del flusso neutronico con le quali le sezioni d'urto sono condensate. Tuttavia, questa differenza è piccola e può essere eliminata usando un modello di micro-evoluzione con biblioteche ``evolventi'' la cui parametrizzazione è composta da solo due punti di burn-up: quello iniziale e quello finale. Questo modello raggiunge l'accuratezza desiderata con solo il doppio del tempo di calcolo e di memoria rispetto ai calcoli ECCO/ERANOS. Per la cella, l'evoluzione lattice è validata con il codice Monte Carlo TRIPOLI4 in evoluzione e ECCO/ERANOS.