Advanced High-Fidelity Reactor Simulators Based on Neutron Transport and Subchannel Methodologies
Creators: name: Knebel, Miriam
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2017
Subjects: Multi-Physik
Monte Carlo
Reaktorsicherheit
DYNSUB
Serpent
Subchanflow

description: Die Genauigkeit heutiger Standardrechenprogramme zur Simulation von Kernreaktoren ist aufgrund ihrer geringen räumlichen und energetischen Auflösung sowie der Verwendung von Näherungen niedriger Ordnung der Neutronentransportgleichung begrenzt. Die nächste Generation derartiger Rechenprogramme, die sich im Moment in der Entwicklung befindet, lässt sich in zwei Typen unterteilen: Programme, die Kernbrennstäbe räumlich homogenisieren, und solche, die Geometrie und Materialien der Brennstäbe im Detail darstellen. Im Rahmen dieser Arbeit ist je ein Programm pro Typ entwickelt worden, das auslegungsrelevante Transienten von Druckwasserreaktoren (DWR) mit hoher räumlicher, energetischer und zeitlicher Auflösung berechnet.
Um einzelne Brennstäbe räumlich vollständig zu erfassen, ist das Unterkanal Thermohydraulik Programm SUBCHANFLOW in das Monte Carlo Neutronentransport Programm Serpent 2 integriert worden. Zur homogenisierten Darstellung der Brennstäbe wurde das Programm DYNSUB in eine voll funktionsfähige Version weiterentwickelt. Da DYNSUB anders als Serpent2/SUBCHANFLOW im Voraus berechnete Tabellen effektiver makroskopischer Wirkungsquerschnitte benötigt, wurde eine Prozedur zur Erstellung mehrdimensionaler Wirkungsquerschnittstabellen für DYNSUB erarbeitet. Diese Tabellen können Homogenisierungskorrekturen enthalten. Die Prozedur erlaubt die Verwendung des Standardprogramms der U.S. NRC SCALE/TRITON oder des sich in Entwicklung befindenden Serpent 2 als Spektralrechenprogramm.
Für beide Rechenprogramme sind sowohl die ursprünglichen, eigenständigen Programmbestandteile als auch ihre Kopplung verifiziert und validiert worden. Durch die Arbeiten konnte der Nachweis der Zuverlässigkeit für beide Programme erbracht werden. Zunächst ist hierfür das Neutronentransportmodel von Serpent 2 mit Hilfe der kritischen Experimente VENUS-1 und VENUS-2 validiert worden, die moderne DWRs darstellen. Danach ist die Kopplung von Serpent 2 und SUBCHANFLOW durch einen Vergleich mit den verwandten Rechenprogrammen TRIPOLI4/SUBCHANFLOW und MCNP5/SUBCHANFLOW verifiziert worden. Außerdem ist gezeigt worden, dass Serpent 2/SUBCHANFLOW in der Lage ist, die Nullleistungsexperimente des BEA VRS Benchmarks mit hoher Genauigkeit nachzurechnen. DYNSUB wurde seinerseits verwendet, um Szenarien aus internationalen Benchmarks zum Ausfall einer Hauptkühlmittelpumpe, zum Auswurf eines Steuerelements, zur Verdünnung der Borkonzentration und zum Bruch einer Frischdampfleitung zu untersuchen. Da DYNSUB diese Auslegungsstörfälle mit einer mit anderen Benchmark Teilnehmern vergleichbaren Genauigkeit berechnete, ist DYNSUBs volle
 Funktionsfähigkeit nachgewiesen worden. Durch das Analysieren der Special Power Excursion Reactor Test III Experimente zum Steuerelementauswurf mit DYNSUB und Serpent 2 als seinem Spektralrechenprogramm konnte einerseits DYNSUB für die Berechnung von Steuerelementauswurf sowie anderen Störfällen mit Reaktivitätszufuhr validiert werden. Andererseits konnte erstmalig gezeigt werden, dass Serpent 2s Methoden zur Berechnung von homogenisierten Wirkungsquerschnitten in wenigen Energiegruppen auch für die Simulation von stationären Vollleistungszuständen und Störfällen mit Reaktivitätszufuhr geeignet sind. Bisherige V erifizierungs- und V alidierungsarbeiten für mit Serpent 2 erzeugte Wirkungsquerschnittstabellen waren auf stationäre Nullleistungszustände beschränkt. Zum Abschluss ist gezeigt worden, dass sowohl DYNSUB als auch Serpent 2/SUBCHANFLOW verwendet werden können, um realistische, industrienahe Probleme mit einer Brennstab/Unterkanal-Auflösung zu simulieren. Hierzu wurde die zweite Aufgabe des OECD/NEA und U.S. NRC „PWR MOX/UO2 core transient benchmark“, die Berechnung eines Reaktorkerns eines kommerziellen DWR unter Volllast, mit hoher Genauigkeit durchgeführt. Zusätzlich wurde mit DYNSUB ein Steuerelementauswurf ausgehend von einem Nullleistungszustand mit derselben Auflösung simuliert. Damit ist erstmalig ein sicherheitsrelevanter Auslegungsstörfall eines DWR mit einer Brennstab/Unterkanal-Auflösung unter Verwendung der „simplified transport“ Näherung gelöst worden. Allerdings zeigt die Analyse der numerischen Leistungsfähigkeit beider Rechenprogramme, dass gegenwärtig selbst auf mittelgroßen Parallelrechnern keine hinreichende Effizienz zur routinemäßigen Anwendung gegeben ist.