Modelo CAB +
2
H ROSFOND-2010
2
H como gas libre
Figura 5 .2 : Cociente entr e el factor de multiplicación efectivo calculado y el factor de multiplicación efectivo de benchmarks para sistemas críticos moderados por agua pesada.
Cálculo de reactores y conjuntos críticos 74 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 2 H de ROSFOND-2010 2H de ROSFOND-2010 Modelo CAB p/D2O
S(α,β) de ENDF/B-VII Modelo CAB p/D2O
2 H de ENDF/B-VII 11 26 54 39 48 17
Casos con cociente C/E más cercano a 1.0
Casos con cociente C/E más alejado de 1.0
2
H de ENDF/B-VII
2
H como gas libre
6
59
para D2O
Figura 5.3: Comparación de distintas combinaciones de bibliotecas para deuterio y bibliotecas de scattering térmico para agua pesada, contra resultados utilizando las secciones eficaces de la biblioteca ENDF/B-VII. Los valores positivos representan el número de casos que muestran una mejora en los cálculos al producir un cociente C/E más cercano a la unidad.
Transmisión de neutrones en agua pesada 75
5.2.
Transmisión de neutrones en agua pesada
En varios diseños de reactores experimentales utilizados como fuente de neutrones se utilizan núcleos reflejados por agua pesada. Este reflector modera los neutrones rápidos provenientes del núcleo, con lo que se obtiene un flujo de neutrones térmicos que son extraídos en haces.
Para obtener neutrones de menor energía se utilizan moderadores refrigerados a tem- peraturas criogénicas, denominados fuentes frías. La posición de la fuente fría depende del diseño del reactor, pero normalmente se busca un punto del reflector de agua pesada en el que se equilibre el flujo disponible de neutrones térmico con el calentamiento generado por la radiación gamma proveniente del núcleo. La disposición de los haces es radial, buscando colectar los neutrones que se fugan después de perder energía por downscattering en el moderador criogénico (Fig. 5.4).
El calculo y diseño de las fuentes frías es complejo[82], y requiere un modelado preciso de los materiales, particularmente el moderador criogénico utilizado (generalmente, hidrógeno o deuterio líquido). El producto de estos cálculos es la distribución de neutrones disponible en los haces para usos experimentales. Uno de los materiales que interviene en el cálculo es el agua pesada, que ocupa el espacio de algunos milímetros dejado entre la envoltura de la fuente fría y el extremo de los haces de neutrones. Este espacio se deja para acomodar dilataciones o contracciones por la temperatura y para refrigerar externamente ambos componentes. Núcleo Reflector Haces Fuente fría Gap
Figura 5.4:Configuración esquemática de una fuente fría en un reflector de agua pesada.
Dependiendo del diseño (refrigeración en pileta abierta o circulación en loop presurizado),
la temperatura de operación del reflector de agua pesada varía. Tomando como típico[83]
un espesor de gap de 3 mm y una temperatura de operación de 50◦C, la intensidad haz
transmitido calculada con ENDF/B-VII y el nuevo modelo resulta la que se muestra en la Fig. 5.5.
Estos valores difieren en hasta un 30 % (Fig. 5.6). Esta diferencia no es homogénea en energía, por lo que el efecto en los cálculos se da no sólo en la intensidad de neutrones obtenidos en el haz, sino en su espectro.
Transmisión de neutrones en agua pesada 76 1×10-5 1×10-4 1×10-3 1×10-2 1×10-1 1×100 Energía [eV] 20 40 60 80 100 Transmisión [%]
Transm. 3mm (Nuevo Modelo) Transm. 3mm (ENDF/B-VII)
Figura 5.5:Cálculos de la transmisión de neutrones en 3 mm de agua pesada a 323 K (50◦C).
1e-05 1e-04 1e-03 1e-02 1e-01 1e+00
Energía [eV] -30 -20 -10 0 Diferencia [%]
Capítulo 6
Conclusiones
En esta tesis se analizan las discrepancias existentes entre los valores medidos para
la interacción de neutrones con las distintas formas isotópicas de agua (H2O, D2O y
HDO) y los cálculos realizados basados en las leyes de scattering que se encuentran actualmente disponibles en las bibliotecas de datos evaluados (Cap. 1). Estas leyes de scattering corresponden a esencialmente dos modelos (Sec. 4.1), que utilizan espectros de frecuencias basados en datos experimentales medidos en la década del ’60.
En la bibliografía se encontraron algunas mediciones de mucha precisión de los espectros de frecuencia del agua realizadas en los últimos 40 años, orientadas al estudio de la dinámica de líquidos, pero estos datos no existen en forma suficientemente completa como para ser utilizados en modelos y es muy costosa su repetición. Como alternativa, se presenta la utilización de métodos de dinámica molecular (Cap. 3) para la obtención de espectros de frecuencias, utilizando las herramientas existentes en la actualidad y los desarrollos de los últimos 20 años en simulaciones de espectros vibracionales de agua. Los espectros generados fueron validados con valores experimentales, tanto de mediciones realizadas con neutrones como de mediciones de espectrometría infrarroja.
Otro avance importante de estos últimos 30 años fue la determinación precisa de la estructura del agua líquida. Esta estructura se manifiesta en la dispersión coherente de neutrones en deuterio y oxígeno, y su conocimiento es necesario para una buena caracterización de la sección eficaz del agua pesada.
Utilizando esta combinación de datos de cálculo y experimentales, se realizaron modelos para calcular la ley de scattering en agua liviana, pesada y semipesada (Cap. 4). Las secciones eficaces calculadas con estas leyes de scattering resultan iguales o mejores que las calculadas con las bibliotecas standard en todas las validaciones realizadas. Específicamente, la inclusión de dinámica molecular resulta en una mejora considerable de las secciones
eficaces para la interacción de neutrones fríos (E < 1 meV), y la inclusión de una mejor
descripción de la estructura del agua representa una mejora en la distribución angular, coseno medio de scattering y sección eficaz total del agua pesada.
Las mejoras obtenidas en las secciones eficaces para agua liviana no tienen efectos
significativos en el cálculo de sistemas críticos a temperatura ambiente (< 100 pcm), al
menos al nivel actual de precisión. Es posible que las diferencias encontradas en las secciones eficaces a alta temperatura tengan efectos significativos, pero no se dispone de resultados experimentales para realizar dicha validación.
En el caso del agua pesada las diferencias son más importantes, con cambios de hasta 1100 pcm. Si se combinan estas nuevas leyes de scattering con la evaluación de deuterio distribuida en la biblioteca de datos evaluados ROSFOND-2010, se obtienen resultados mejores en 74 % de los casos calculados.
78
Otra aplicación importante para la ingeniería es el cálculo de la transmisión en el huelgo de agua pesada que se encuentra entre la fuente fría y los haces de neutrones en reactores utilizados como fuentes de neutrones. En estos cálculos se observaron modificaciones de hasta el 30 % en el espectro transmitido, que deberían ser tenidas en cuenta para el correcto cálculo del espectro en haces de neutrones.
Finalmente, las bibliotecas producidas con los modelos presentados en esta tesis se encuentran en un proceso de validación, que apunta a su aceptación como estándares para el cálculo de reactores. Este proceso permitirá la transferencia del conocimiento producido en este trabajo para quedar a disposición de la comunidad internacional, y que retornará como beneficio particular al sector nuclear argentino, dando la posibilidad de refinar el cálculo de centrales nucleares moderadas por agua pesada y de reactores nucleares de investigación.