Monte Carlo methods in nuclear engineering : a simulation study of plate-type geometries for MW-scale reactors for space applications

Abstract

In this thesis, a new reactor concept is proposed for use in space. The thesis focuses solely on the proposed reactor’s fuel element and neglects other components, such as the proposed thermionic converter that would be placed on the surface of the fuel element. The thermodynamics of the system are modeled on a basic level with the use of material data and analytical thermodynamic equations.

The primary focus of this thesis is to simulate the fuel element’s effective multiplication factor using Monte Carlo methods, both with a basic code developed from scratch as well as with a state-of-the-art Monte Carlo particle transport code called OpenMC. Some reactor kinetics parameters are also evaluated with the use of data, analytical equations, and the results obtained from simulations with OpenMC.

Some of the reactor’s kinetic parameters are also estimated using data, analytical equations, and results obtained with OpenMC. The results show that such a reactor geometry would achieve criticality. The thermodynamic calculations further show that this type of reactor could achieve a higher specific power value compared to the current existing reactor types. However, this thesis does not address every component of the reactor, thus some rough approximations had to be made in order to come to the final results, especially regarding the proposed thermionic converter component.

Tässä kandidaatintyössä ehdotetaan uutta reaktorikonseptia käytettäväksi avaruudessa. Opinnäytetyö keskittyy vain ehdotetun reaktorin polttoaine-elementtiin ja jättää huomioimatta muut komponentit, kuten ehdotetun termisen generaattorin, joka asetettaisiin polttoaine-elementin pinnalle.

Systeemin termodynamiikka mallinnetaan perustasolla materiaalidatan ja analyyttisten termodynaamisten yhtälöiden avulla. Tämän kandidaatintyön ensisijaisena tavoitteena on simuloida polttoaine-elementin kasvutekijää Monte Carlo -menetelmillä sekä itse kehitetyllä koodilla että simulointiohjelmistolla nimeltä OpenMC.

Joitakin reaktorin kinetiikkaparametreja arvioidaan myös käyttämällä dataa, analyyttisiä yhtälöitä sekä tuloksia, jotka on saatu käyttämällä OpenMC:tä. Tulokset osoittavat, että reaktorin kinetiikan ja reaktorin kriittisyyden laskelmien mukaan tällainen reaktorigeometria saavuttaisi kriittisyyden. Termodynaamisten laskelmien mukaan tällainen reaktori voisi myös saavuttaa ominaisteholtaan paremman reaktorityypin nykyisiin reaktorityyppeihin verrattuna. Tässä työssä ei kuitenkaan käsitellä reaktorin jokaista komponenttia, joten tuloksissa on jouduttu tekemään hyvin karkeita oletuksia etenkin termisen generaattorin kannalta, jonka takia tulokset ovat vain suuntaa antavia.