Development and validation of Apros multigroup nodal diffusion model

Abstract

The development of a steady state and transient multigroup nodal diffusion model for process simulation software Apros was continued and the models were validated. The initial implementation of the model was performed in 2009 and it has not been under continuous development afterwards.

Some errors in the steady state model were corrected. The transient model was found to be incorrect. The solution method of the transient model was derived, and the program code not common with the steady state model was almost completely rewritten. The temporal solution method of the transient model is based on implicit discretization of the flux time derivative. The spatial solution method is similar to that of the steady state model with small modifications. Some features such as a temporal flux extrapolation transient acceleration method were implemented into the models.

After this work, the steady state model is correctly implemented based on comparisons against DIF3D. The multiplication factors calculated with the steady state model and Serpent show relatively high differences, but the power distribution differences are on an acceptable level. The reactor total power time behaviors without simulating thermal hydraulics were similar to those calculated with DYN3D. With a step withdrawal of control rods, the total power time evolution was more different between the codes. However, the relative difference was not higher than in the case of a slow insertion of control rods. The differences of relative axial powers were small between the codes. The differences can be concluded to be caused by the differences between the solution methods of the codes. Therefore, the transient model is also correctly implemented and it produces results similar to DYN3D.

The basic features of a steady state and transient multigroup nodal diffusion model have now been implemented in Apros and verified to work. Multiple suggestions for continuing the development of the model are proposed.

Prosessisimulointiohjelmisto Aprosin moniryhmänodaalidiffuusiomallin tasapaino- ja transienttilaskennan kehittämistä jatkettiin sekä kyseiset mallit validoitiin. Mallin alkuperäinen toteutus on vuodelta 2009, eikä malli ole ollut jatkuvassa kehityksessä toteutuksen jälkeen.

Tasapainomallista korjattiin joitain virheitä. Transienttimalli havaittiin virheelliseksi. Transienttimallin ratkaisumenetelmä johdettiin työn aikana, sekä mallin tasapainomallista erilliset osat ohjelmakoodista kirjoitettiin lähes kokonaan uudelleen. Transienttimallin aikaratkaisumenetelmä perustuu vuon aikaderivaatan implisiittiseen diskretointiin. Noodien sisäinen paikkaratkaisumenetelmä on pienillä muutoksilla yhtenevä tasapainomallin kanssa. Malleihin lisättiin joitain ominaisuuksia, kuten transienttimallin voiden aikaekstrapolaatioon perustuva kiihdytysmenetelmä.

Perustuen vertailuihin DIF3D:n kanssa, tasapainomalli on tämän työn jälkeen oikein toteutettu. Kasvukertoimien erot ovat suhteellisen suuria Serpentiin verrattaessa. Tehojakaumien erot ovat hyväksyttävällä tasolla. Reaktorien kokonaistehojen aikakehitykset simuloimatta termohydrauliikkaa olivat samankaltaisia kuin DYN3D:llä. Askelmaisen säätösauvojen noston simuloinnissa kokonaistehojen aikakehitysten erot olivat suurempia. Suhteelliset erot eivät kuitenkaan olleet suurempia kuin hitaan säätösauvojen laskun simuloinnissa. Suhteellisten aksiaalitehojen erot olivat pieniä koodien välillä. Erojen voidaan todeta johtuvan koodien ratkaisumenetelmien eroista. Täten transienttimalli on myös oikein toteutettu ja se tuottaa DYN3D:n kanssa samankaltaisia tuloksia.

Aprosiin on nyt toteutettu tasapaino- ja transienttimoniryhmänodaalidiffuusiomallit, ja ne on todettu toimiviksi. Malleille ehdotetaan useita jatkokehitysaiheita.