Sensitivity and Uncertainty Analysis of Coupled Reactor Physics Problems

Method Development for Multi-Physics in Reactors

Zoltán Perkó

Sensitivity and U ncertainty A

nalysis of Coupled Reactor Physics Problem s

Zoltán Perkó

Delft University of Technology

R 0 R limit

σR

µR

A djoint problem

Forward problem

Integration levels

Polynom

ial Chaos

Cubat ure

p oi

nt s

Ga us

sia n

di st

rib ut

io n

Co varian

ce matrix

Un ce

rta in i

npu ts

S& U

tec hn

iqu

e

Unc ert

ain o

ut pu

t

Department of Nuclear Energy and Radiation Applications

These propositions are considered opposable and defendable and as such have been approved by the promotor, Pro. Dr. ir. T. H. J. J. van der Hagen.

Propositions

Belonging to the PhD thesis of Zoltán Perkó

Sensitivity and Uncertainty Analysis of Coupled Reactor Physics Problems – Method

Development for Multi-Physics in Reactors

1. The advantages of adjoint sensitivity analysis surpass its obvious shortcomings even for nonlinear

problems. Therefore adjoint methods should be implemented for nonlinear coupled problems as well.

(Chapters 2 and 3 of this thesis)

2. Adaptive Polynomial Chaos methods are computationally cheaper and more accurate than sampling based

methods even for problems with a relatively high (≈50) number of input parameters. (Chapters 4 and 5 of

this thesis)

3. Research on deterministic sensitivity and uncertainty analysis methods is most beneficial for

interdisciplinary applications. (C. M. H. Hartman, “Sensitivity and Uncertainty Analysis in Proton Therapy

Treatment Plans Using Polynomial Chaos Methods”, MSc. thesis, 2014)

4. In practice stochastic algorithms will always be favoured over deterministic ones for sensitivity and

uncertainty analysis due to their ease of use.

5. Method and user related uncertainties are generally larger than data related uncertainties in

computational sciences and should therefore get much more focus. (S. N. Aksan, F. D’Auria, H. Städtke,

“User effects on the thermal-hydraulic transient system code calculations”, Nuclear Engineering and

Design, 145, pp. 159-174, 1993)

6. Electricity generation by newly built nuclear power plants will only become economically competitive with

traditional (fossil-fuelled) power plants if the latter are also obliged to cover the full costs of their waste

management. (C. Mari, “The costs of generating electricity and the competitiveness of nuclear power”,

Progress in Nuclear Energy, 73, pp. 153-161, 2014)

7. In countries with low levels of foreign language proficiency the cheapest and most practical method for

increasing it is subtitling television programs instead of using dubbing or voice-over. (C. M. Koolstra, J. W. J.

Beentjes, “Children’s Vocabulary Acquisition in a Foreign Language Through Watching Subtitled Television

Programs at Home”, Education Technology Research and Development, 47, pp. 51-60, 1999)

8. Renewable energy sources alone cannot solve the problem of climate change. (Google “RE

Deze stellingen worden opponeerbaar en verdedigbaar geacht en zijn als zodanig goedgekeurd door de promotor, Prof. Dr. Ir. T. H. J. J. van der Hagen.

Stellingen

Behorende bij het proefschrift van Zoltán Perkó

Sensitivity and Uncertainty Analysis of Coupled Reactor Physics Problems – Method

Development for Multi-Physics in Reactors

1. De voordelen van geadjugeerde gevoeligheidsanalyse wegen zelfs voor non-lineaire problemen op tegen

de tekortkomingen. Daarom dienen ook voor niet-lineaire gekoppelde problemen geadjugeerde methoden

geïmplementeerd te worden. (Hoofdstukken 2 en 3 van dit proefschrift)

2. Adaptieve Polynoom-Chaos methoden kosten minder rekentijd en zijn preciezer dan

signaalbemonsteringsmethoden, zelfs voor problemen met relatief veel (≈50) invoerparameters.

(Hoofdstukken 4 en 5 van dit proefschrift)

3. Onderzoek naar deterministische gevoeligheids- en onzekerheidsanalyse methoden heeft vooral

voordelen voor interdisciplinaire toepassingen. (C. M. H. Hartman, “Sensitivity and Uncertainty Analysis in

Proton Therapy Treatment Plans Using Polynomial Chaos Methods”, MSc. thesis, 2014)

4. In de praktijk zullen stochastische algoritmes voor gevoeligheids- en onzekerheidsanalyse altijd verkozen

worden boven deterministische omdat ze makkelijker zijn in gebruik.

5. Methode- en gebruikergerelateerde onzekerheden in de computerwetenschappen zijn in het algemeen

groter dan datagerelateerde onzekerheden, en behoren daarom meer aandacht te krijgen. (S. N. Aksan, F.

D’Auria, H. Städtke, “User effects on the thermal-hydraulic transient system code calculations”, Nuclear

Engineering and Design, 145, pp. 159-174, 1993)

6. Nieuwe kerncentrales kunnen alleen concurreren met traditionele (fossiel-gestookte) centrales, als de

laatst genoemde ook verplicht worden op te draaien voor de volledige kosten die horen bij het

afvalmanagement. (C. Mari, “The costs of generating electricity and the competitiveness of nuclear

power”, Progress in Nuclear Energy, 73, pp. 153-161, 2014)

7. In landen waar vreemde talen slecht beheerst worden, is het ondertitelen van televisieprogramma’s, in

plaats van het nasynchroniseren daarvan, de goedkoopste en de meest praktische methode om het niveau

van de beheersing van vreemde talen op te krikken. (C. M. Koolstra, J. W. J. Beentjes, “Children’s

Vocabulary Acquisition in a Foreign Language Through Watching Subtitled Television Programs at Home”,

Education Technology Research and Development, 47, pp. 51-60, 1999)

8. De inzet van alleen hernieuwbare energiebronnen kan het probleem van klimaatverandering niet oplossen.

(https://www.google.org/rec.html))

9. De wetenschappelijk gezien meest logische oplossing van de Fermi paradox 2 is dat de kans op contact

tussen intelligente ruimte-bevarende samenlevingen veel kleiner is dan wat verwacht mag worden op

basis van ruimtelijke en temporele argumenten. (G.D. Brin, “The ‘Great Silence’: the Controversy

Concerning Extraterrestrial Intelligent Life”, Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society, 24 (3), pp.

283-309, 1983)

10. De aandacht voor proliferatiezorgen in nucleair brandstofcyclusbeleid is contraproductief, omdat het de

nucleaire gemeenschap belet om reeds bestaande technologieën (zoals PUREX) toe te passen en om

onderzoek te verrichten ten behoeve van het veilig beheer van nucleair materiaal. (J. Mueller, “Simplicity

and Spook: Terrorism and the Dynamics of Threat Exaggeration”, International Studies Perspectives, 6, pp.

208-234, 2005)

2 De Fermi paradox refereert aan de ogenschijnlijke tegenstelling tussen de schijnbare hoge schattingen van de

kans dat buitenaards intelligent leven bestaat, ondanks dat daar geen bewijs voor is.

Sensitivity and Uncertainty Analysis of Coupled Reactor Physics

Problems - Method Development for Multi-Physics in Reactors

Sensitivity and Uncertainty Analysis of Coupled Reactor Physics

Problems - Method Development for Multi-Physics in Reactors

Proefschrift

ter verkrijging van de graad van doctor aan de Technische Universtiteit Delft,

op gezag van de Rector Magnificus Prof. ir. K.C.A.M. Luyben, voorzitter van het College voor Promoties,

in het openbaar te verdedigen op 21 januari 2015 om 12:30 uur

door

Zoltán PERKÓ

Master of Science in Engineering Physics, Budapesti Műszaki Egyetem

geboren te Keszthely, Hungary

Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotor: Prof. dr. ir. T.H.J.J. van der Hagen

Samenstelling promotiecommissie: Rector Magnificus, Prof. dr. ir. T.H.J.J. van der Hagen, Dr. ir. J.L. Kloosterman, Prof. dr. ir. drs. H. Bijl, Prof. dr. A. W. Heemink, Prof. C. Pain, Prof. P. Ravetto, Dr. O.P. Le Maître,

voorzitter Technische Universiteit Delft, promotor Technische Universiteit Delft, supervisor Technische Universiteit Delft Technische Universiteit Delft Imperial College London, Verenigd Koninkrijk Politecnico di Torino, Italiaanse Republiek LIMSI-CNRS, Orsay, Frankrijk.

Dr. Danny Lathouwers has provided invaluable guidance and support in the preparation of this thesis.

c© 2014, Zoltán Perkó

All rights reserved. No part of this book may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or by any means, without prior permission from the copyright owner.

ISBN 978-94-6295-071-9

Keywords: Sensitivity analysis, uncertainty quantification, adjoint, Polynomial Chaos, coupled systems

The research described in this thesis was performed in the Physics of Nuclear Reactors (PNR)/Nuclear Energy and Radiation Applications (NERA) section of the department of Radiation, Radionuclides & Reactors (R3)/Radiation, Science and Technology (RST) of the Delft University of Technology, Delft, The Netherlands.

Cover design: