Master's Thesis

Validation of Serpent Burnup Calculations for VVER-440 Fuel

Final Thesis 4.04 MB

Author of thesis: Ing. David Mareček

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jitka Vojáčková

Reviewer: Ing. Martin Bárta

Abstract:

This diploma thesis focuses on the validation of the stochastic transport code Serpent 2 for fuel depletion calculations in VVER-440 type reactors. In the practical part, a 3D computational model of an isolated VVER-440 V-179 fuel assembly was developed. A sensitivity analysis evaluating the impact of twelve input parameters on the stability and accuracy of the calculation was performed on this model, resulting in an optimized configuration. Final simulations were conducted using four nuclear data libraries (ENDF/B-VII.1, ENDF/B-VIII.1, JEFF-3.2, and JENDL-4.0). By comparing the calculated isotopic concentrations with experimental data from the international SFCOMPO 2.0 database, a systematic axial shift in local burnup was identified, caused by neglecting the influence of the surrounding assembly environment within the "infinite lattice" boundary conditions. This effect was successfully compensated for by aver-aging the material balance of the assembly, allowing the model to achieve agreement with ex-perimental data within 10% for the majority of the monitored nuclides. Furthermore, the thesis identified systematic measurement errors in the SFCOMPO database for neptunium, europium, and gadolinium isotopes and revealed the potential presence of reprocessed uranium in the ini-tial fuel composition of the investigated assembly. Regarding nuclear data, the JENDL-4.0 and ENDF/B-VII.1 libraries provided the most consistent results, whereas the ENDF/B-VIII.1 library showed local improvement for uranium isotopes, and the JEFF-3.2 library achieved the highest accuracy in predicting plutonium isotopes. Due to formal requirements for the validation process, it is not possible to declare the code officially validated solely on the basis of this work. Nevertheless, the results of this thesis provide a comprehensive methodological foundation for further development of 3D simulations.

Keywords:

Serpent 2, Monte Carlo, validation, nuclear fuel burnup, VVER-440, SFCOMPO 2.0, sensitivi-ty analysis, nuclear data, nuclear data libraries.

Date of defence

11.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil zkušební komisi s výsledky své diplomové práce. Vedoucí práce Ing. Vojáčková seznámila komisi s posudky vedoucího i oponenta. Studentem byla odpovězena otázka oponenta práce. Následnou rozpravu zahájil předseda komise prof. Katovský. Doplňující otázky položil doktor Radil, na kterého návazal prof. Katovský. Student pohotově odpovídal na předložené dotazy.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Nuclear Power Engineering (MPC-JAE)

Composition of Committee

prof. Ing. Karel Katovský, Ph.D. (předseda)
Ing. Štěpán Foral, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Lukáš Radil, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Kracík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Marek Baláš, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Pavel Zácha, Ph.D. (člen)
Ing. Ota Fišera, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jitka Vojáčková

Předložená diplomová práce velice podrobně zpracovává problematiku validací výpočtů vyhořívání pro palivo VVER-440 v kódu Serpent. Práce byla vypracována ve spolupráci s firmou Škoda JS.

Teoretická část práce je obsáhlá a kvalitně zpracovaná. Student v ní podrobně popisuje metody výpočtu vyhořívání jaderného paliva a současně provádí přehledné srovnání výpočetních kódů využívaných pro analýzy vyhořívání.

Při tvorbě modelu palivového souboru student postupoval velmi pečlivě a věnoval pozornost i nejmenším detailům. Nevyužíval zjednodušení, která se při obdobných výpočtech běžně uplatňují. Pro vytvoření 3D modelu, jenž sloužil především k určení rozměrů neuvedených v zadání úlohy, musel prostudovat značné množství odborné literatury, aby dokázal jednotlivé parametry palivového souboru správně definovat.

Velmi kladně hodnotím také provedenou citlivostní analýzu a následné porovnání výsledků. Student se kriticky zamýšlí nad zjištěnými odchylkami vůči referenční úloze, diskutuje možné příčiny těchto nesrovnalostí a navrhuje vysvětlení pozorovaných rozdílů.

Student pracoval samostatně a v případě nejasností či problémů konzultoval svoji práci s konzultantem doc. Martinem Loveckým. Student zpracoval velice podrobně všechny body zadání. Jednotlivé kapitoly na sebe logicky navazují a práce je kvalitně zpracována rovněž po jazykové a formální stránce. Student využil více než 90 zdrojů informací, včetně vědeckých článků a odborných publikací, přičemž převážná část použité literatury je v anglickém jazyce.

Na základě výše uvedených skutečností doporučuji předloženou práci k obhajobě a hodnotím 100 body, tedy stupněm A.

Hodnocení konzultanta diplomové práce doc. Ing. Martina Loveckého, Ph.D.ze Škoda JS.

Velmi kvalitní práce, která vysoce převyšuje požadavky na diplomové práce. Student pracoval průběžně, samostatně, iniciativně a systematicky. V případě problémů sám navrhl řešení a konzultoval, zda daný postup je optimální. Nastavení kódu Serpent otestoval velmi hluboko, při tvorbě modelu vytvořil maximálně detailní model, jehož využití je nad rámec diplomové práce. Pro svoje zjednodušení tvorby modely vytvořil CAD model paliva. Úspěšně namodeloval heterogenitu distančních mřížek bez typicky používaných zjednodušení. Vhodnými statistickými metodami hodnotil výsledky. Teoretická část jde do hloubky. I přes vyšší délku práce je psaná kompaktně. Doporučuji hlavní závěry práce shrnout do článku a podat do Q1 časopisu. Doporučuji práci nominovat na ocenění na Mikulášském setkání Points proposed by supervisor: 100

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Martin Bárta

viz. příloha Points proposed by reviewer: 100

Grade proposed by reviewer: A

File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 487,87 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová