Extending OpenMC for Molten Salt Fast Reactors: implementation and benchmark comparison

Molten Salt Fast Reactors (MSFR), being circulating fuel reactors, present some peculiar features that make them very attractive in the context of Generation IV reactors. Among other things, they enable to perform an online removal of fission products (FPs), to keep the composition of the salt close to the eutectic and to control the long-term reactivity of the system. However, standard burnup tools, developed for solid-fuelled reactors, do not allow to model the mass-exchange processes that come into play in the aforementioned procedures. Hence, the development of burnup tools specific for the MSFR configuration has always been a crucial point in the research projects aimed at promoting the advancement of the technology. In this framework, lately also the OpenMC Monte Carlo code has been taken into account. A preliminary assessment was carried out in a previous study by re-running Steps 0 and 1 of the SAMOSAFER Benchmark, proving the ability of OpenMC to correctly predict the overall inventory, although some relevant discrepancies were found. However, Steps 0 and 1 do not involve the implementation of mass-exchange processes, apart from the FPs removal, which can be modelled using the method “add_tranfer_rate” already present in OpenMC. As a consequence, to test OpenMC in simulations involving also eutectic control and reactivity control, MSFR control algorithms developed for Serpent at Polimi were implemented also in OpenMC, with some variations concerning reactivity control due to the different structure of the burnup solver. The successful implementation of the mass control strategies was verified by running Steps 2, 3 and 4 of the SAMOSAFER Benchmark and comparing OpenMC results with the partners’ ones (Polimi Serpent and PSI EQL0D). Furthermore, before doing that, thanks also to a new tool, the EQL0D Plotter, the main reasons beyond the discrepancies observed in Steps 0 and 1 were assessed, underlying that the most important one is related to a different way of performing the interpolation between the values of the independent fission yields tabulated in the nuclear data libraries. Moreover, the revaluation of the SAMOSAFER Benchmark carried out to verify the extended OpenMC enabled also to identify which Steps are more valuable to observe possible differences between the different tools and which, instead, can be discarded. Hence, the SAMOSAFER Benchmark was simplified, reducing the number of sub-steps from 30 to 12, in order to allow for a faster verification of future MSFR burnup tools.

I reattori veloci a sali fusi (MSFR), essendo reattori a combustibile circolante, presentano alcune caratteristiche peculiari che li rendono molto attraenti nel contesto dei reattori di IV generazione. Tra le altre cose, consentono di effettuare una rimozione online dei prodotti di fissione, di mantenere la composizione vicina all'eutettico e di controllare la reattività a lungo termine del sistema. Tuttavia, gli strumenti di burnup più comuni, sviluppati per reattori a combustibile solido, non sono in grado di modellare i processi di scambio di massa previsti in tali procedure. Pertanto, nei progetti di ricerca volti a promuovere l'avanzamento della tecnologia MSFR, lo sviluppo di appositi strumenti di simulazione è sempre stato un punto cruciale. In questo contesto, recentemente si è iniziato a considerare anche il codice Monte Carlo OpenMC. In particolare, in uno studio precedente, sono stati eseguiti gli Step 0 e 1 del benchmark di SAMOSAFER, dimostrando la capacità del codice di prevedere correttamente l'inventario complessivo, seppur con qualche discrepanza rilevante. In ogni caso, gli Step 0 e 1 non prevedono l'implementazione di processi di scambio di massa, ad eccezione della rimozione dei prodotti di fissione, che può essere modellata usando il metodo "add_tranfer_rate" già presente in OpenMC. Di conseguenza, per testare OpenMC in simulazioni che coinvolgono anche il controllo dell’eutettico e della reattività, algoritmi sviluppati a tale fine per Serpent al Politecnico di Milano sono stati implementati anche in OpenMC, con qualche variazione nel controllo reattività per via della diversa struttura del solver di burnup. L’esecuzione degli Step 2, 3 e 4 del benchmark di SAMOSAFER e il confronto con i risultati dei partner (Polimi Serpent e PSI EQL0D) ha permesso di verificare la corretta implementazione dei nuovi algoritmi in OpenMC. Inoltre, grazie anche a un nuovo strumento, il Plotter di EQL0D, sono state valutate le principali cause alla base delle discrepanze osservate negli Step 0 e 1, evidenziando che la più importante di esse è legata a un diverso modo di eseguire l'interpolazione tra le rese di fissione indipendenti tabulati nelle librerie nucleari. La rivalutazione del benchmark effettuata per verificare la versione estesa di OpenMC ha permesso anche di identificare quali Step sono più utili per osservare possibili differenze tra i diversi strumenti e quali, invece, possono essere scartati. Pertanto, il benchmark è stato semplificato, riducendo il numero di sub-step da 30 a 12, al fine di permettere una verifica più rapida di futuri strumenti di burnup per MSFR.