Calculation and verification of assembly discontinuity factors for the DRAGON/PARCS code sequence

This study is dedicated to the generation and validation of Assembly Discontinuity Factor (ADF) for the DRAGON5-PARCS code sequence. Over the past few years, within the framework of the ORION project, IRSN has worked on the coupling between the lattice code DRAGON5 and the full-core simulation code PARCS. Initially, efforts have been placed on the validation of the SPH technique in accordance with the traditional strategy used in France for PWR. This work aims to improve the flexibility of the code sequence by adding an alternative method for the assembly homogenization technique, based on discontinuity factors. The first part of the document is focused on the lattice calculation, and the impact of different strategies envisaged for the generation of ADF. With this in mind, various lattice schemes have been evaluated following the approaches currently adopted by IRSN and by the EPM. The first method, historically used at IRSN, consists in a single level scheme based on the collision probabilities method. Then a state of the art design, recently developed by the EPM is also considered; it corresponds to a two-level approach (Pij/MOC). The impact of the cross sections and discontinuity factors generated were assessed on simplified PWR motifs and compared to a reference Monte Carlo calculation using SERPENT2. The validation exercise was first performed on 2x2 and 3x3 clusters composed of three types of assemblies: UOX, UOX with AIC control rods and MOX. The study focuses on three parameters of particular interest: reactivity, assembly power, and reconstructed pin power, which are expected to be highly sensitive to the discontinuity factors. Afterward, a more realistic problem is considered by including a reflector region. This task is achieved by the specific development of a reflector model, based on the methodology proposed by Koebke. In conclusion, this research demonstrates the significant impact of the discontinuity factors on the evaluated configurations. The extent of the amelioration varies according to the case: up to 600 pcm in reactivity and 8 % in assembly power. Furthermore, the positive influence has also been assessed in the reconstruction process. At the end of the study, it appears that the two-level calculation scheme is the most reliable design compared with the Monte Carlo reference. For each configuration tested, the best combination of options was identified. Moreover, a good accuracy of the DRAGON/PARCS code sequence is observed for PWR motifs containing a neutron reflector. Finally, significant differences observed for the configuration UOX-MOX suggest further study on the treatment of MOX fuel assemblies by the lattice code; the limit of the infinite-lattice approximation, which does not take into account the environmental effects, are pronounced at the UOX-MOX interface.

Questo lavoro di tesi è dedicato alla generazione e la validazione degli Assembly Discontinuity Factors (ADF) per la catena di calcolo realizzata con i codici neutronici deterministici DRAGON5 e PARCS. Nell'ambito del progetto ORION, l'Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) sta investigando la possibilità di accoppiare il codice di cella DRAGON5 e il codice di nocciolo PARCS. Dopo una fase iniziale in cui sono state validate le metodiche tradizionalmente adottate in Francia per la simulazione dei reattori ad acqua leggera (PWR), l'interesse dell'IRSN è ora rivolto verso l'implementazione di tecniche originali che possano garantire una maggiore flessibilità allo schema DRAGON5-PARCS. In quest'ottica, questo studio ha per obiettivo l'esecuzione di simulazioni in teoria della diffusione utilizzando i parametri omogeneizzati di assembly prodotti in accordo con la General Equivalence Theory (GET). La prima parte della tesi è incentrata sul calcolo di cella e sull'impatto di differenti strategie nella generazione degli ADF. Differenti opzioni sono state investigate prendendo in esame e confrontando i differenti schemi di calcolo di cella impiegati all'IRSN e all'École Polytechnique de Montréal (EPM). Il modello utilizzato storicamente all'IRSN infatti si basa su uno schema a singolo livello (Pij), mentre l'EPM propone un approccio multi-livello (Pij/MoC) di più recente concezione. L'impatto delle sezioni d'urto macroscopiche e dei fattori di discontinuità cosi generati è poi esaminato simulando dei casi di studio e confrontandoli con un calcolo di riferimento Monte Carlo, ottenuto utilizzando il codice SERPENT2. In particolare, la validazione è realizzata su dei raggruppamenti 2x2 e 3x3 di elementi di combustibili di PWR: UOX, UOX contenente barre di controllo e MOX. In funzione del calcolo stocastico sono calcolate e prese in esame tre cifre di merito di particolare interesse nella fisica dei reattori: la reattività, la potenza per assembly e la potenza per pin. Infine viene analizzato un core semplificato costituito da un raggruppamento di assembly circondati da un riflettore. Questa analisi ha richiesto l'implementazione di una tecnica per modellare il riflettore radiale e generare i parametri omogeneizzati equivalenti basata sulla metodologia proposta da Koebke. Il risultato principale di questo studio è stato la soddisfacente implementazione degli ADF nello schema di calcolo e la validazione del loro impatto nella simulazione di nocciolo. È stato verificato che si ottengono significative riduzioni di errori sia per la reattività che per la potenza complessiva di assembly (fino a 600 pcm e 8 % rispettivamente). In aggiunta, anche la ricostruzione fine di potenza risulta più accurata. L'analisi sulla sensibilità di differenti parametri utilizzati nel calcolo di cella ha permesso di individuare le opzioni migliori da adoperare per ciascuna configurazione testata. Inoltre il confronto tra gli schemi di calcolo di cella mostra una maggiore accuratezza dello schema multi-livello proposto dall’EPM. Infine, gli scarti non trascurabili osservati per le configurazioni contenenti MOX suggeriscono la necessità di un’analisi più approfondita e un trattamento particolare per questo tipo di assembly. In particolare l'approssimazione di reticolo infinito nel calcolo di cella non sembra adeguata per tener conto dei pronunciati effetti di bordo all'interfaccia tra gli assembly UOX e MOX.