ETD

• black body
• exact perturbation theory
• reactivity calculation
• reactor physics

This thesis addresses the computational challenge of evaluating small-sample reactivity worth in nuclear reactors using the Serpent 2 Monte Carlo code. The standard Eigenvalue Difference Method is impractical for minuscule perturbations, as the physical signal is easily overshadowed by statistical noise.
To overcome this limitation, a methodology based on Exact Perturbation Theory was developed and implemented, specifically the Black-Body Exact Perturbation (BBEP) method. This approach reformulates reactivity via surface current integrals weighted by neutron importance, which is stochastically estimated using the Iterated Fission Probability (IFP) method. An innovative three-step simulation pipeline was designed, supported by a dedicated Python framework for statistical data aggregation on High Performance Computing (HPC) architectures.
The methodology was rigorously validated on two fundamentally different benchmarks: the Godiva fast critical assembly and the heterogeneous thermal core of the MINERVE reactor (CHANDA project). The results demonstrate that the BBEP-IFP approach guarantees a drastic increase in computational efficiency compared to the classical method. This work provides a robust and scalable numerical tool, essential for the high-fidelity support of future oscillation experimental campaigns in zero-power research reactors, such as those conducted at the SCK CEN research center.

Il presente lavoro di tesi affronta la complessa sfida computazionale legata alla stima delle piccole variazioni di reattività (small-sample reactivity worth) nei reattori nucleari, utilizzando il codice di trasporto Monte Carlo Serpent 2. Il metodo di calcolo standard, basato sulla differenza diretta degli autovalori (Eigenvalue Difference Method), risulta infatti impraticabile per perturbazioni di entità minima, poiché il segnale fisico viene facilmente sovrastato dal rumore statistico.
Per superare tale limite, è stata sviluppata e implementata una metodologia basata sulla Teoria Esatta delle Perturbazioni (Exact Perturbation Theory), nello specifico il metodo Black-Body Exact Perturbation (BBEP). Questo approccio riformula la reattività tramite integrali di correnti superficiali pesati per l'importanza neutronica, stimata stocasticamente attraverso il metodo Iterated Fission Probability (IFP). È stata architettata un'innovativa pipeline di simulazione a tre step, supportata da un framework Python dedicato per l'aggregazione statistica su architetture HPC (High Performance Computing).
La metodologia è stata rigorosamente validata su due benchmark profondamente diversi: l'assemblaggio critico veloce Godiva e il nocciolo termico eterogeneo del reattore MINERVE (progetto CHANDA). I risultati dimostrano che l'approccio BBEP-IFP garantisce un drastico incremento dell'efficienza computazionale rispetto al metodo classico. Il lavoro fornisce uno strumento solido e scalabile, fondamentale per il supporto numerico ad alta fedeltà delle future campagne sperimentali di oscillazione nei reattori di ricerca a potenza zero, come l'impianto VENUS-F presso il centro di ricerca SCK CEN.