A multi-physics modelling approach for the analysis of burnup calculation of the next generation of nuclear reactors

In nuclear reactor analysis, multi-physics approaches are related to different computational and numerical methods that couple neutronics and thermal-hydraulics, that are strongly interrelated in nuclear systems. The recent interest in multi-physics approaches is justified by the growing need of advanced analysis to improve the efficiency and the safety of the operating nuclear systems. Moreover, these approaches are important to study the Next Generation (NG) of Nuclear Reactors, where their complexity and peculiar aspects require the development of accurate simulation tools. In addition, advanced analysis allow avoiding the installation of expensive experimental facilities, obtaining research results at a lower cost in a shorter period of time. Finally, their validation with available data allows the re-intrepretation of results from old experiments. Over the years, even though multi-physics approaches have been developed for design and safety analysis, their implementation in burnup calculations is under development. Indeed, an accurate multi-physics characterization is important because it allows understanding the influence of the temperature distribution and other physical parameters, that can have remarkable effects on fuel consumption. In this context, the theme of the thesis work concerns the development and assessment of high-fidelity multi-physics tools for burnup analysis. In the first part, I develop a multi-physics approach that couples the Monte Carlo code Serpent for neutronics and the OpenFOAM toolkit for thermal-hydraulics. I implement the procedure on the burnup history of a three-dimensional PWR fuel pin, analyzing the effects of the thermal-hydraulics feedback on fuel consumption. In the second part, I extend the multi-physics approach to FA (fuel assembly) and full core designs. For the former, I simulate the central FA of the ALFRED reactor, by reproducing the design parameters. For the latter, I develop and validate the multi-physics model of the TRIGA Mark II reactor of the University of Pavia. In the third part, I propose a solution to the problem of the computational cost, by developing and implementing a new methodology for burnup analysis, based on Reduced Order Methods (ROMs). The philosophy behind ROMs is that the behaviour of a physical system is well described by a small number of dominant modes, which allows reducing the degrees of freedom of the original problem. Over different techniques, I adopt the Proper Orthogonal Decomposition (POD) that is one of the most valuable methods in the ROM framework.

Nell'analisi dei reattori nucleari, gli approcci multifisici sono relativi a diversi tipi di calcolo e metodi numerici che accoppiano neutronica e termoidraulica, che sono fortemente intercorrelati nei sistemi nucleari. Il recente interesse per gli approcci multifisici è giustificato dalla crescente esigenza di analisi avanzate per migliorare l'efficienza e la sicurezza dei sistemi nucleari operativi. Inoltre, questi approcci sono importanti per studiare i reattori nucleari di nuova generazione, dove la loro complessità e aspetti peculiari richiedono lo sviluppo di strumenti di simulazione accurati. Inoltre, analisi avanzate consentono di evitare l'installazione di costose strutture sperimentali, ottenendo risultati di ricerca a un costo inferiore in un periodo di tempo più breve. Infine, la loro validazione con i dati disponibili consente la reinterpretazione dei risultati da vecchi esperimenti. Negli anni, anche se sono stati sviluppati approcci multifisici per la progettazione e analisi di sicurezza, la loro implementazione nei calcoli di bruciamento è in fase di sviluppo. Infatti, un'accurata caratterizzazione multifisica è importante perché consente di comprendere l’influenza della distribuzione della temperatura e altri parametri fisici, che possono avere notevoli effetti sul consumo di combustibile. In questo contesto, il tema del lavoro di tesi riguarda lo sviluppo e la l’implementazione di strumenti multifisici ad alta fedeltà per l'analisi di bruciamento del combustibile. Nella prima parte, sviluppo un approccio multifisico che accoppia il codice Monte Carlo Serpent per la neutronica e il codice OpenFOAM per termoidraulica. Implemento la procedura nella storia di bruciamento di una cella di combustibile di un PWR in tre dimensioni, analizzandone gli effetti della termoidraulica sul consumo di combustibile. Nella seconda parte, estendo l'approccio multifisico allo studio di design per l’elemento di combustibile e nocciolo. Per il primo, simulo l’elemento di combustibile centrale del reattore ALFRED, riproducendone i parametri di progettazione. Per il secondo, sviluppo e valido il modello multifisico del Reattore TRIGA Mark II dell'Università degli Studi di Pavia. Nella terza parte, propongo una soluzione al problema del costo computazionale, sviluppando e implementando una nuova metodologia per l'analisi di bruciamento, basata sui modelli ridotti. La filosofia alla base dei modelli ridotti consiste nel descrivere il comportamento di un sistema fisico tramite un certo numero di modi dominanti, che permettono di ridurre i gradi di libertà del sistema originale. Tra le diverse tecniche disponibili, adotto il metodo delle POD (Proper Orthogonal Decomposition) che è uno dei metodi più diffusi e validi nel contesto dei metodi ridotti.