Il presente lavoro ha avuto come obiettivo lo studio di scelta ed ottimizzazione della strumentazione neutronica per il monitoraggio di flussi neutronici da reattori veloci, con particolare attenzione verso i Lead Fast Reactor, in ambienti ostili per la tecnologia, in cui i fattori limitanti per i rivelatori risultano essere l’alta temperatura (mediamente 400 ÷ 500 °C) ed un alto rateo di dose gamma. Partendo dalla strumentazione neutronica commercialmente disponibile, si sono proposti miglioramenti e soluzioni innovative al fine di ottimizzare l’efficacia e l’adeguatezza del sistema di strumentazione, monitoraggio e controllo di reattore. Un tale lavoro deve necessariamente affiancare la fase di progetto del reattore stesso cosicché la strumentazione prevista possa essere efficacemente integrata con le soluzioni progettuali concernenti il disegno neutronico e termoidraulico. L’identificazione di modelli innovativi per la strumentazione neutronica specializzata per reattori LFR, piuttosto recenti se confrontati con i fratelli maggiori Sodium Fast Reactor, richiede che sia ben identificato il tipo di ambiente in cui le sonde andranno ad operare. Non essendo presente, al momento, una sufficiente quantità di dati sperimentali in grado di fornire indicazioni precise riguardo il campo di radiazione o la strumentazione da impiegare in tali reattori, l’approccio più efficace e conveniente -almeno in fase preliminare- per colmare tali lacune è la simulazione mediante codici di calcolo. Focalizzandosi questo lavoro sull’aspetto del monitoraggio neutronico, saranno assunte le condizioni chimiche e termo-idrauliche dell’ambiente reattore, mentre saranno estensivamente studiati gli aspetti nucleari mediante il codice Monte Carlo di trasporto di radiazione MCNPX ver.2.7.0. Come reattore di riferimento è stato scelto il prototipo LFR dimostrativo nel panorama europeo, ALFRED, del quale si è simulato, tramite MCNPX, il pressure vessel e tutte le strutture interne a un elevato livello di dettaglio, al fine di ricavare il termine sorgente per la strumentazione, ovvero il flusso neutronico per le posizioni di reattore che possono verosimilmente alloggiare la strumentazione. Si sono dapprima valutate le prestazioni della strumentazione commercialmente disponibile, illustrandone criticamente le potenzialità e le problematiche d’impiego al caso in esame. Successivamente, sono stati proposti sviluppi e miglioramenti alle tecnologie in uso, con l’obiettivo di delineare modifiche potenzialmente attuabili al fine di ottimizzare la strumentazione per ambienti tipo LFR, prospettando così la possibilità di sviluppare e costruire rivelatori ad hoc, sia per il monitoraggio in-core che out-of-core, con possibilità di test in impianti sperimentali in grado di fornire spettri neutronici veloci. Il primo passo dello studio è consistito nell’analisi della strumentazione correntemente utilizzata per SFR, valutandone prestazioni e caratteristiche quando trasposta al reattore LFR ALFRED. Diversi modelli di camere a fissione ed Self-Powered Neutron Detectors, SPND, resistenti ad alte temperature sono stati analizzati dal punto di vista della risposta a diversi flussi neutronici, mostrandone limiti e criticità. La strumentazione commercialmente disponibile si è dimostrata applicabile, ma non completamente adeguata alle esigenze di monitoraggio del reattore studiato, evidenziando la necessità di studiare soluzioni progettuali innovative che siano corredate anche da esperienze sperimentali in flussi neutronici veloci. Per quanto concerne l’avviamento del reattore e la fase transitoria di salita in potenza, la strumentazione raccomandata consiste in camere e microcamere a fissione, sufficientemente sensibili per monitorare le decadi di flusso neutronico competenti allo start-up e all’intermediate range di reattore. Per quanto riguarda il livello di potenza nominale, gli alti ratei di flusso neutronico competenti al power range di ALFRED (300MWth), combinati con le elevate sensitività delle camere a fissione, non consentono a tale strumentazione di poter operare oltre 6÷12 mesi; i rivelatori di tipo prompt-SPND si dimostrano essere più appropriati in termini di affidabilità e durabilità nel tempo, sebbene vadano verificate le loro prestazioni, vista l’esiguità dei segnali elettrici prodotti, in alcuni casi anche alla potenza nominale del reattore. Un quadro verosimile della strumentazione applicabile al reattore ALFRED può riassumersi come segue: 1) start-up: quando il flusso neutronico risulta compreso tra 10E0 ÷ 10E6 n/(cm2 s) ed il fondo gamma di reattore è notevolmente intenso, solo le camere a fissione possono essere efficacemente utilizzate come strumentazione in-core, perché particolarmente sensibili al campo neutronico quando esercite in pulse mode; 2) intermediate range: quando il flusso neutronico risulta compreso tra10E6÷10E12 n/(cm2 s) e il fondo gamma di reattore assume -generalmente- lo stesso ordine di grandezza del campo neutronico e le camere a fissione possono continuare ad essere efficacemente impiegate, tipicamente in Mean Square Voltage mode; 3) power range: quando il flusso neutronico è compreso tra 10E12 ÷10E15 n/(cm2 s), il fondo gamma di reattore può essere considerato trascurabile per le camere a fissione, che dovranno essere esercite in current mode data l’abbondanza delle interazioni neutroniche all’interno del volume sensibile. Il campo neutronico è qui troppo intenso perché le camere a fissione durino a lungo nel tempo, a causa della loro intrinsecamente alta sensitività ai neutroni. Strumenti meno sensibili, gli SPND a risposta pronta, possono efficacemente prendere il posto delle camere a fissione come strumentazione in-core di monitoraggio e controllo del reattore. Si è fornita una concettualizzazione delle innovazioni applicabili alla strumentazione in generale, con particolare riguardo ai SPND a risposta pronta (oggi poco sperimentati perché non utili nell’attuale panorama reattoristico che si serve dei loro "fratelli maggiori", i SPND_ritardati), delineando possibilità innovative per la misura di flussi neutronici corrispondenti alla potenza nominale di reattore. L’intrinsecamente bassa sensitività della strumentazione SPND può difatti consentire una loro installazione fissa negli elementi di combustibile, essendo il loro rateo di burn-up sufficientemente basso da farli durare a lungo, anche se irraggiati con fluenze superiori a quelle limite per le camere a fissione di corrente uso. Nell’ottica di sviluppare quest’ultimo tipo di tecnologia strumentale, si è validata la simulazione Monte Carlo MCNPX per strumentazione SPND in monitoraggio di flussi neutronici veloci attraverso prove già svolte nel reattore veloce TAPIRO del Centro Ricerche ENEA Casaccia nell’ambito di progetti di ricerca riguardanti la fusione nucleare, identificando -così- uno strumento di calcolo che consenta di poter ottimizzare e ri-progettare al calcolatore tali rivelatori, migliorandone prestazioni, ottimizzandone caratteristiche e durata nel tempo. Nuovi materiali sensibili per tale classe di strumenti sono stati analizzati, insieme con lo studio del burn-up a seguito d’irraggiamento e la verifica della loro risposta dinamica alle variazioni di flusso neutronico. Si è studiata una concettualizzazione di una sonda innovativa basata su SPND che consenta, oltre che le convenzionali misure di flusso neutronico integrato in energia, anche una valutazione delle caratteristiche spettrali dei neutroni, combinando misure da diversi SPND e risolvendo matematicamente un problema di unfolding spettrale. La disponibilità del reattore TAPIRO di ENEA Casaccia può consentire lo studio sperimentale delle principali caratteristiche di prestazione degli strumenti detti, permettendo di acquisire una preziosa esperienza sul campo. Nel prossimo futuro, un SPND prototipo potrà esser costruito e testato, verificando sperimentalmente l’effettiva possibilità tecnica per tale strumentazione di monitorare flussi neutronici veloci. Il presente lavoro di tesi è il risultato di una collaborazione triennale con il Centro Ricerche ENEA Casaccia, nei laboratori UT-FISST/MEPING prima e FSN/FISS/CRGR poi, ed è stato inquadrato nei Piani Annuali di Ricerca 2013, 2014 e 2015 dell’Accordo di Programma Ministero dello Sviluppo Economico-ENEA.

Ottimizzazione della strumentazione di monitoraggio neutronico del nocciolo di un reattore LFR / Lepore, Luigi. - (2017 Feb 22).

Ottimizzazione della strumentazione di monitoraggio neutronico del nocciolo di un reattore LFR

LEPORE , LUIGI
22/02/2017

Abstract

Il presente lavoro ha avuto come obiettivo lo studio di scelta ed ottimizzazione della strumentazione neutronica per il monitoraggio di flussi neutronici da reattori veloci, con particolare attenzione verso i Lead Fast Reactor, in ambienti ostili per la tecnologia, in cui i fattori limitanti per i rivelatori risultano essere l’alta temperatura (mediamente 400 ÷ 500 °C) ed un alto rateo di dose gamma. Partendo dalla strumentazione neutronica commercialmente disponibile, si sono proposti miglioramenti e soluzioni innovative al fine di ottimizzare l’efficacia e l’adeguatezza del sistema di strumentazione, monitoraggio e controllo di reattore. Un tale lavoro deve necessariamente affiancare la fase di progetto del reattore stesso cosicché la strumentazione prevista possa essere efficacemente integrata con le soluzioni progettuali concernenti il disegno neutronico e termoidraulico. L’identificazione di modelli innovativi per la strumentazione neutronica specializzata per reattori LFR, piuttosto recenti se confrontati con i fratelli maggiori Sodium Fast Reactor, richiede che sia ben identificato il tipo di ambiente in cui le sonde andranno ad operare. Non essendo presente, al momento, una sufficiente quantità di dati sperimentali in grado di fornire indicazioni precise riguardo il campo di radiazione o la strumentazione da impiegare in tali reattori, l’approccio più efficace e conveniente -almeno in fase preliminare- per colmare tali lacune è la simulazione mediante codici di calcolo. Focalizzandosi questo lavoro sull’aspetto del monitoraggio neutronico, saranno assunte le condizioni chimiche e termo-idrauliche dell’ambiente reattore, mentre saranno estensivamente studiati gli aspetti nucleari mediante il codice Monte Carlo di trasporto di radiazione MCNPX ver.2.7.0. Come reattore di riferimento è stato scelto il prototipo LFR dimostrativo nel panorama europeo, ALFRED, del quale si è simulato, tramite MCNPX, il pressure vessel e tutte le strutture interne a un elevato livello di dettaglio, al fine di ricavare il termine sorgente per la strumentazione, ovvero il flusso neutronico per le posizioni di reattore che possono verosimilmente alloggiare la strumentazione. Si sono dapprima valutate le prestazioni della strumentazione commercialmente disponibile, illustrandone criticamente le potenzialità e le problematiche d’impiego al caso in esame. Successivamente, sono stati proposti sviluppi e miglioramenti alle tecnologie in uso, con l’obiettivo di delineare modifiche potenzialmente attuabili al fine di ottimizzare la strumentazione per ambienti tipo LFR, prospettando così la possibilità di sviluppare e costruire rivelatori ad hoc, sia per il monitoraggio in-core che out-of-core, con possibilità di test in impianti sperimentali in grado di fornire spettri neutronici veloci. Il primo passo dello studio è consistito nell’analisi della strumentazione correntemente utilizzata per SFR, valutandone prestazioni e caratteristiche quando trasposta al reattore LFR ALFRED. Diversi modelli di camere a fissione ed Self-Powered Neutron Detectors, SPND, resistenti ad alte temperature sono stati analizzati dal punto di vista della risposta a diversi flussi neutronici, mostrandone limiti e criticità. La strumentazione commercialmente disponibile si è dimostrata applicabile, ma non completamente adeguata alle esigenze di monitoraggio del reattore studiato, evidenziando la necessità di studiare soluzioni progettuali innovative che siano corredate anche da esperienze sperimentali in flussi neutronici veloci. Per quanto concerne l’avviamento del reattore e la fase transitoria di salita in potenza, la strumentazione raccomandata consiste in camere e microcamere a fissione, sufficientemente sensibili per monitorare le decadi di flusso neutronico competenti allo start-up e all’intermediate range di reattore. Per quanto riguarda il livello di potenza nominale, gli alti ratei di flusso neutronico competenti al power range di ALFRED (300MWth), combinati con le elevate sensitività delle camere a fissione, non consentono a tale strumentazione di poter operare oltre 6÷12 mesi; i rivelatori di tipo prompt-SPND si dimostrano essere più appropriati in termini di affidabilità e durabilità nel tempo, sebbene vadano verificate le loro prestazioni, vista l’esiguità dei segnali elettrici prodotti, in alcuni casi anche alla potenza nominale del reattore. Un quadro verosimile della strumentazione applicabile al reattore ALFRED può riassumersi come segue: 1) start-up: quando il flusso neutronico risulta compreso tra 10E0 ÷ 10E6 n/(cm2 s) ed il fondo gamma di reattore è notevolmente intenso, solo le camere a fissione possono essere efficacemente utilizzate come strumentazione in-core, perché particolarmente sensibili al campo neutronico quando esercite in pulse mode; 2) intermediate range: quando il flusso neutronico risulta compreso tra10E6÷10E12 n/(cm2 s) e il fondo gamma di reattore assume -generalmente- lo stesso ordine di grandezza del campo neutronico e le camere a fissione possono continuare ad essere efficacemente impiegate, tipicamente in Mean Square Voltage mode; 3) power range: quando il flusso neutronico è compreso tra 10E12 ÷10E15 n/(cm2 s), il fondo gamma di reattore può essere considerato trascurabile per le camere a fissione, che dovranno essere esercite in current mode data l’abbondanza delle interazioni neutroniche all’interno del volume sensibile. Il campo neutronico è qui troppo intenso perché le camere a fissione durino a lungo nel tempo, a causa della loro intrinsecamente alta sensitività ai neutroni. Strumenti meno sensibili, gli SPND a risposta pronta, possono efficacemente prendere il posto delle camere a fissione come strumentazione in-core di monitoraggio e controllo del reattore. Si è fornita una concettualizzazione delle innovazioni applicabili alla strumentazione in generale, con particolare riguardo ai SPND a risposta pronta (oggi poco sperimentati perché non utili nell’attuale panorama reattoristico che si serve dei loro "fratelli maggiori", i SPND_ritardati), delineando possibilità innovative per la misura di flussi neutronici corrispondenti alla potenza nominale di reattore. L’intrinsecamente bassa sensitività della strumentazione SPND può difatti consentire una loro installazione fissa negli elementi di combustibile, essendo il loro rateo di burn-up sufficientemente basso da farli durare a lungo, anche se irraggiati con fluenze superiori a quelle limite per le camere a fissione di corrente uso. Nell’ottica di sviluppare quest’ultimo tipo di tecnologia strumentale, si è validata la simulazione Monte Carlo MCNPX per strumentazione SPND in monitoraggio di flussi neutronici veloci attraverso prove già svolte nel reattore veloce TAPIRO del Centro Ricerche ENEA Casaccia nell’ambito di progetti di ricerca riguardanti la fusione nucleare, identificando -così- uno strumento di calcolo che consenta di poter ottimizzare e ri-progettare al calcolatore tali rivelatori, migliorandone prestazioni, ottimizzandone caratteristiche e durata nel tempo. Nuovi materiali sensibili per tale classe di strumenti sono stati analizzati, insieme con lo studio del burn-up a seguito d’irraggiamento e la verifica della loro risposta dinamica alle variazioni di flusso neutronico. Si è studiata una concettualizzazione di una sonda innovativa basata su SPND che consenta, oltre che le convenzionali misure di flusso neutronico integrato in energia, anche una valutazione delle caratteristiche spettrali dei neutroni, combinando misure da diversi SPND e risolvendo matematicamente un problema di unfolding spettrale. La disponibilità del reattore TAPIRO di ENEA Casaccia può consentire lo studio sperimentale delle principali caratteristiche di prestazione degli strumenti detti, permettendo di acquisire una preziosa esperienza sul campo. Nel prossimo futuro, un SPND prototipo potrà esser costruito e testato, verificando sperimentalmente l’effettiva possibilità tecnica per tale strumentazione di monitorare flussi neutronici veloci. Il presente lavoro di tesi è il risultato di una collaborazione triennale con il Centro Ricerche ENEA Casaccia, nei laboratori UT-FISST/MEPING prima e FSN/FISS/CRGR poi, ed è stato inquadrato nei Piani Annuali di Ricerca 2013, 2014 e 2015 dell’Accordo di Programma Ministero dello Sviluppo Economico-ENEA.
22-feb-2017
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Tesi dottorato Lepore

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Tipologia: Tesi di dottorato
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