Development of a tool for multiphysics analysis of neutronics and thermal-hydraulics

The TRIGA Mark II reactor of the University of Pavia is a research reactor that can be operated up to 250 kW in steady state. It reached its first criticality in 1965 and thereafter was used for many scientific and technical applications. In the last years, different simulations tools were developed for a complete and accurate characterization of the reactor, analyzing in detail neutronics, burnup and thermal-hydraulics. They were studied separately, without considering the mutual interaction of the different physics in a same simulation environment. For this reason, a three dimensional Multi-Physics Modelling (MPM) approach was developed in this thesis, by using COMSOL Multi-Physics software. For neutronics, a time dependent multi-group diffusion solver is implemented. The neu- tronics solver is verified by a code-to-code comparison with a Serpent Monte-Carlo model, that is also used for cross sections generation at criticality conditions of different power levels. In thermal-hydraulics, Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations with k − ω are employed for fluid dynamics. After these verifications, the coupling is implemented by changing the power gen- eration term and by obtaining a database of cross sections at different temperature, for linear interpolation.

L’obiettivo che si prepone questo progetto è lo sviluppo di uno strumento per la simulazione multi-fisica (MPM - MultiPhysics Modelling) di un reattore nucleare. In particolare, la tesi si focalizzo sullo studio dei modelli singoli di diffusione neutronica e termoidraulica, per il futuro accoppiamento in COMSOL; l’oggetto di questi studi e simulazioni è il reattore TRIGA Mark II di Pavia. Lo strumento opera su tre diversi software, per la generazione del modello voluto, MATLAB, SERPENT e COMSOL. In MATLAB è possibile definire tramite uno script, tutti i parametri geometrici ed i coefficienti del modello diffusivo e termoidraulico. SERPENT viene utilizzato per la generazione delle cross sections (o altri coefficienti di interesse), che costituiranno gli input in COMSOL, per il modello diffusivo; vi è sempre la possibilità per l’utente di definire i coefficienti in MATLAB senza l’utilizzo di SERPENT, ma in modalità manuale. Infine in COMSOL, per il modello così generato viene implementata la mesh e il solver adatto allo studio che si vuole effettuare. In conclusione, possiamo affermare che lo strumento creato in COMSOL multi- physics sia riuscito a catturare in maniera adeguata le evoluzioni e caratteristiche dei modelli di neutronica e termoidraulica per il reattore TRIGA, rafforzando la possibilità dello sviluppo in futuro di un modello accoppiato. In particolare dei test svolti sulla base dei modelli di accoppiamento precedenti ha dimostrato che il solver riesca a lavorare con un modello multifisica sebbene questa implementazione dovrà essere rivista e migliorata in futuro (sono stateprodotte solo soluzioni non fisiche di reattore in shutdown, con flusso nullo e temperature in equilibrio). L’analisi dei costi computazionali, riferiti alle simulazioni dei singoli modelli fisici o dei test sul modello accoppiato hanno affermato con certezza l’oneroso peso computazionale delle simulazioni in multifisica, per design complessi e/o di grandi dimensioni. Sicuramente per il futuro, sarà una soluzione interessante sfruttare (laddove possibile) condizioni di simmetria per il modello in analisi, così da ridurre la simulazione a parti del reattore, riducendone i costi (oltre a poter sfruttare mesh più raffinate). Proprio in funzione di questa riduzione dei costi computazionali, grazie alla modularità e all’ampia libreria fisica di COMSOL, potrebbe essere possibile im- plementare nel futuro analisi di tipo aggiuntivo nel modello multifisica (come termo-meccanica, ebollizione, etc.), che porterebbe la potenzialità dello strumento ad un livello molto elevato.