A burnup meta-model for application in fuel performance codes : development and verification for MOX fuel in pressurized water reactors

The evolution of actinides within the nuclear fuel affects its power distribution, and its thermal and mechanical material properties as well, with relevant feedback on the whole fuel performance. For this reason, fuel performance codes (FPCs) need to incorporate predictive burnup modules to account for the actinides evolution under irradiation. State-of-the-art software dedicated to depletion calculation (e.g., SCALE, MONTEBURNS, SERPENT) require considerable computational time compared to FPCs, hindering their engineering application in fuel performance simulations. In this thesis, I propose a new burnup meta-model for application in fuel performance codes. The burnup meta-model relies on average microscopic cross section lookup tables constructed via SERPENT high-fidelity calculations, and involves the solution of the linear system of Bateman's equations for a selected subset of relevant actinides. I implemented the model in the SCIANTX code, a 0D stand-alone fuel behavior code designed for the coupling with FPCs, effectively paving the way for the inclusion of the meta-model in FPCs. I verified the results of the burnup meta-model in terms of the actinides concentrations evolution for a standard PWR MOX fuel by comparing them with the high-fidelity results from SERPENT. The verification is completed by error analysis. The methodology proposed in this thesis work for the development and verification of a burnup meta-model is general and can be adopted for the analysis of any reactor/fuel combination.

L'evoluzione degli attinidi minori all'interno del combustibile nucleare ha un notevole impatto sulla distribuzione di potenza del combustibile stesso e sulle proprietà termo-meccaniche del materiale, con un conseguente feedback sulle prestazioni del combustibile in generale. Per questo motivo, i codici di performance del combustibile (CPC) devono incorporare moduli di burnup per tenere conto dell'evoluzione degli attinidi durante l'irraggiamento. Attualmente, i software dedicati al calcolo di burnup (ad es. SCALE, MONTEBURNS, SERPENT) richiedono un considerevole tempo di calcolo rispetto ai CPC, ostacolando la loro applicazione ingegneristica nelle simulazioni del comportamento del combustibile in reattore.. In questa tesi, propongo un nuovo meta-modello di burnup per l'applicazione nei codici di performance del combustibile. Il meta-modello si basa sulle lookup tables delle sezione d'urto microscopiche medie costruite mediante calcoli di SERPENT e prevede la soluzione del sistema lineare delle equazioni di Bateman per un sottoinsieme selezionato di attinidi rilevanti. Ho implementato il modello nel codice SCIANTIX, un codice indipendente 0D progettato per essere incorporato nei CPC, aprendo efficacemente la strada per l'inclusione del meta-modello nei CPC. Ho verificato i risultati del meta-modello di burnup in termini di evoluzione della concentrazione degli attinidi, confrontandoli con i risultati di alta fedeltà di SERPENT. La verifica è completata dall'analisi degli errori. La metodologia proposta in questo lavoro di tesi per quanto riguarda sviluppo e verifica del meta-modello di burnup è generale e può essere riprodotta per qualsiasi combinazione di combustibile/reattore. In questo lavoro, ho focalizzato la mia analisi su PWR/MOX.