Analysis of the source term in circulating fuel reactors : burnup results of the SAMOSAFER benchmark

Molten Salt Fast Reactors (MSFRs) are nuclear reactors employing a circulating fuel salt, which simultaneously acts as coolant. This unique feature has recently drawn the interest of the nuclear scientific community and MSFR has been identified as the reference circulating-fuel reactor in the frame of Generation IV International Forum. Its design has been developed in the context of EVOL and SAMOFAR European projects and is currently under study in SAMOSAFER project. The main advantage over solid-fuelled reactors is the possibility of continuous reprocessing of the fuel salt during reactor operation, which allows removing fission products and controlling the eutectic composition and reactivity. These tasks are fundamental to preserve the physico-chemical properties of the fuel and so to ensure safe operation of the reactor. However, the continuous reprocessing conceived in the design of MSFR implies several technological, safety and design challenges, e.g.,the treatment of highly radioactive streams. In this view, an accurate evaluation of the radioactive source term in the fuel is needed for the design of the reprocessing units. The usual simulation tools for depletion calculations adopted by the nuclear scientific community are tailored for solid-fuelled reactors and cannot account for the mass exchange processes that characterize a circulating-fuel reactor. This thesis aims at the development of new burnup simulation tools for the source term evaluation and their assessment in a benchmark among different codes developed within the SAMOSAFER Project. The thesis work is based on an extension of Serpent Monte Carlo burnup code suitable for the modeling of the mass exchange processes occurring in MSFR. In the framework of this thesis, reactivity control and eutectic control algorithms have been implemented in the latest release of Serpent, namely the 2.1.32 version, together with a new batch algorithm for thorium mass control. The results of SAMOSAFER Benchmark confirmed the capability of the code to reproduce the effect of continuous reprocessing in burnup calculations and represent a solid starting point for following studies on burnup evolution of materials in MSFRs.

L'MSFR è un reattore nucleare caratterizzato da un combustibile liquido circolante, che agisce contemporaneamente da raffreddante. Per questa caratteristica unica, l'MSFR ha attirato l'attenzione della comunità scientifica nucleare ed è stato identificato come il reattore a combustibile circolante di riferimento nel Generation IV International Forum. Il design del reattore è stato sviluppato durante i progetti europei EVOL e SAMOFAR ed è attualmente in fase di studio nel progetto SAMOSAFER. Il principale vantaggio del MSFR rispetto ai reattori con combustibile solido è la possibilità di riprocessare in modo continuo il combustibile durante il funzionamento del reattore; ciò permette di rimuovere i prodotti di fissione e di controllare la composizione eutettica e la reattività reattore. Tuttavia, il riprocessamento continuo introdotto nel design del MSFR implica nuove sfide a livello di tecnologia, progetto e sicurezza del reattore, per esempio la gestione di flussi altamente radioattivi. In questa prospettiva, è quindi necessaria una valutazione accurata del termine di sorgente radioattiva nel combustibile per la progettazione delle unità di riprocessamento. Tuttavia, i comuni software di simulazione utilizzati per calcoli di burnup dalla comunità scientifica sono adattati ai reattori con combustibile solido e non riescono a modellizzare i processi di scambio di massa che caratterizzano il MSFR. In questa tesi l'obiettivo è lo sviluppo di un nuovo software di simulazione di burnup per l'analisi del termine di sorgente radioattiva e la verifica di questo tool in un benchmark tra codici sviluppato nel progetto SAMOSAFER. Il lavoro della tesi è basato sull'estensione del codice Monte Carlo di burnup Serpent, necessaria per la modellizzazione dei processi di scambio di massa presenti nel MSFR. Durante l'attività di ricerca in questa tesi, gli algoritmi per il controllo della reattività, per il controllo della composizione eutettica del combustibile e un nuovo algoritmo per il controllo della massa di torio a batch sono stati implementati nell'ultima release del software, Serpent 2.1.32. I risulati del Benchmark SAMOSAFER confermano la capacità del codice di riprodurre gli effetti del riprocessamento continuo in simulazioni di burnup e rappresentano un punto di partenza solido per studi successivi relativi al burnup dei materiali nel MSFR.