Benchmark of the TDT MOC-3D solver of APOLLO3 against Serpent during depletion

The Two-Three Dimensional Transport (TDT) solver of APOLLO3®, based on the Method of Characteristics (MOC), was recently extended for full 3D neutron transport depletion calculations using axial polynomial expansions for flux and macroscopic cross sections. While previous tests against TRIPOLI-4®, the French reference Monte Carlo code developed at CEA, successfully benchmarked this solver for a standard PWR UOX assembly up to 60 GWd/tHM, this thesis extends that work by comparing the solver against the Serpent Monte Carlo code. Configurations analyzed include the same UOX assembly and two other UOX-Gd assemblies, containing 36 and 8 gadolinium rods. The study performs a detailed convergence analysis to determine TDT parameters for APOLLO3® and identifying axial, radial, and burnup meshes for both codes, balancing precision and efficiency. A depletion benchmark revealed excellent agreement for the UOX assembly: k-eff remained within 140 pcm of the Serpent reference, and discrepancies in radially integrated fission and capture rates were below 0.5%, dropping to less than 0.15% for axially integrated rates. Conversely, the MOC-3D solver showed limitations for assemblies containing gadolinium. Due to high computational demand, the 36 UOX-Gd case could not be simulated up to 60 GWd/tHM within a reasonable amount of time; therefore, the analysis was limited to 10 GWd/tHM. Results revealed a mismatch exceeding 1000 pcm in absolute value for k-eff, while the 8-rod UOX-Gd assembly showed a decrease in the discrepancy (up to -753 pcm). These results indicate that while agreement improves as gadolinium content decreases, the current implementation remains unsatisfactory for these configurations. These findings reinforce the robustness of the TDT MOC-3D approach for UOX depletion, while confirming previous studies on the necessity of the Linear Surface (LS) method in APOLLO3® to correctly model the presence of gadolinium. This issue arises because gadolinium isotopes have high neutron capture cross sections, causing steep flux gradients near the rods, which the current version of the MOC-3D solver fails to correctly represent.

Il codice Two-Three Dimensional Transport (TDT) di APOLLO3®, basato sul Metodo delle Caratteristiche (MOC), è stato recentemente esteso per consentire calcoli di trasporto neutronico 3D durante il bruciamento utilizzando espansioni polinomiali assiali per il flusso e sezioni d'urto macroscopiche. Mentre test precedenti rispetto a TRIPOLI-4®, il codice Monte Carlo di riferimento francese sviluppato al CEA, hanno validato con successo questo codice per un assemblaggio PWR UOX standard fino a 60 GWd/tHM, questa tesi estende tale lavoro confrontandolo con il codice Monte Carlo Serpent. Le configurazioni analizzate includono il medesimo assemblaggio UOX ed ulteriori due assemblaggi UOX-Gd, contenenti 36 e 8 barre di gadolinio. Lo studio conduce un'analisi di convergenza per determinare i parametri TDT per APOLLO3® e identificare le mesh assiali, radiali e di bruciamento per entrambi i codici, bilanciando precisione ed efficienza. Un confronto tra i due codici ha mostrato un ottimo accordo per l'assemblaggio UOX: il k-eff rimane entro 140 pcm rispetto a Serpent, e le discrepanze nei tassi di fissione e cattura integrati radialmente risultano inferiori allo 0.5%, scendendo a meno dello 0.15% per i tassi integrati assialmente. Al contrario, il codice MOC-3D ha mostrato dei limiti per gli assemblaggi gadoliniati. Il caso UOX-Gd a 36 barre non ha potuto essere simulato fino a 60 GWd/tHM in tempi ragionevoli; pertanto, l'analisi è stata limitata a 10 GWd/tHM. I risultati hanno rivelato un disaccordo significativo tra i due codici, con discrepanze superiori a 1000 pcm per il k-eff (in valore assoluto). L'analisi con 8 barre UOX-Gd ha riportato un accordo migliore, anche se la differenza relativa tra i codici abbia raggiunto i -753 pcm. Questi risultati indicano che, sebbene l'accordo migliori al diminuire del contenuto di gadolinio, l'attuale implementazione MOC-3D rimane insoddisfacente per tali configurazioni. Queste conclusioni rafforzano la robustezza dell'approccio TDT MOC-3D per il bruciamento di assemblaggi UOX e confermano studi precedenti sulla necessità del metodo Linear Surface (LS) in presenza di gadolinio. Tale criticità sorge poiché gli isotopi del gadolinio possiedono sezioni d'urto di cattura neutronica elevate che causano ripidi gradienti di flusso che la versione attuale del codice non riesce a rappresentare.