Determination of kinetic parameters for monitoring source driven subcritical transmutation devices

Abstract

ADS are considered as an option for the irradiation facility in partitioning and transmutation concepts for highly radioactive waste from spent nuclear fuel. Due to the hard neutron energy spectrum and the subcriticality of the reactor ADS provide a good compromise between transmutation performance and safety aspects. For the safe operation, but also for the overall optimization of the facility, the determination of the subcriticality level is essential. To investigate experimental methods in Pulsed Neutron Source (PNS) experiments for the determination of the subcriticality level the ADS experiment YALINA-Thermal is thoroughly analyzed in this work. The experiment has been performed from 2005-2010 in Minsk, Belarus. Most of the related experimental methods rely on point kinetic equations. This approach introduces two main approximations. Firstly, the point kinetic equation cannot describe the transition of the neutron distribution from the source operation to the source shutdown. After shutdown, the neutron population would redistribute to establish the fundamental decay mode. This violates the point kinetic assumption of neutron flux spectra constant in time. Secondly, to calculate kinetic parameters like the neutron mean generation time and the effective delayed neutron fraction the neutron flux distribution of the effective multiplication factor equation is typically used, which is equivalent to an artificial critical steady-state reactor. However, it is the time-dependence of the decay of the neutron populations including their redistribution in space and energy, which affects the analyzed kinetic parameters. Consequently, this work aims for the accurate simulation of these phenomena with particular emphasis on the quality of the effective neutron cross sections. In this work new microscopic master libraries based on the JEFF 3.1, JEFF 3.1.1 and ENDF/B VII.0 evaluations are developed with a general purpose 350 energy groups structure for the deterministic reactor physics code system KANEXT. The time-dependent transport code TORT-TD developed by Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) is extended in this work for a time-dependent external neutron source. This new option and the fully implicit time integration scheme provides a very accurate simulation of PNS experiments considering non-asymptotic neutron distributions and delayed neutrons. After neutron source shutdown the code allows for the decay of the neutron populations based on the physical principles. These time-dependent neutron fluxes are used for the calculation of time-dependent kinetic parameters. The simulation of the YALINA-Thermal experiment with the extended TORT-TD code and the new cross section data shows, that the impact of delayed neutrons manifests before the fundamental decay mode is established and thus needs to be considered in the experimental evaluation. Comparing the neutron mean generation time calculated with the neutron flux of the effective multiplication factor solution and with the time-dependent flux yields a 16 % difference. The effective delayed neutron fraction - as expected - is indifferent to the above method, as the delayed neutron yield of the main fissionable isotope U-235 is constant below 0.01 MeV.

Zur Reduzierung von Lagerdauer und -kapazität sowie Radiotoxizität von hoch radioaktivem Abfall größtenteils aus der zivilen Nutzung der Kernenergie in Kernkraftwerken werden weltweit im Rahmen von Transmutations- und Partitionierungsstrategien Beschleuniger getriebene Systeme, im Englischen ADS, als Bestrahlungseinrichtung diskutiert. ADS bieten mit Verweis auf das harte Neutronenspektrum und auf die Unterkritikalität des Reaktors einen guten Kompromiss zwischen Transmutationsleistung und Sicherheitseigenschaften. Für den sicheren Betrieb, aber auch für die Optimierung der Gesamtanlage, ist die Überwachung der Unterkritikalität essenziell. Um vorgeschlagene, experimentelle Methoden mit gepulsten Neutronenquellen, im Englischen Pulsed Neutron Source (PNS), zur Kritikalitätsüberwachung zu qualifizieren, wird in dieser Arbeit das ADS-Experiment YALINA-Thermal eingehend analysiert, das zwischen 2005 und 2010 in Minsk, Weißrussland, durchgeführt wurde. Praktisch alle experimentellen Methoden zur Bestimmung der Unterkritikalität beruhen auf dem Ansatz der Punktkinetik. Ein Nachteil dieser Näherung besteht darin, dass die Punktkinetik den instationären Übergang vom kurzzeitigen Ein- und Abschalten der Neutronenquelle und dem nachgelagerten Abklingen der Neutronenpopulationen nicht beschreiben kann. Dies führt dazu, dass die Voraussetzung der zeitlich konstanten Neutronenflussspektren im betrachteten Zeitfenster nicht gegeben ist. Des Weiteren werden typischerweise zur Berechnung der Punktkinetikparameter wie der effektiven Neutronengenerationsdauer oder des effektiven Anteils der verzögerten Neutronen die Neutronenflussspektren der statischen Lösung der Boltzmann-Transportgleichung für den effektiven Multiplikationsfaktor verwendet. Dabei hat gerade die räumliche und energetische Reorganisation der Neutronen während des Abklingvorgangs einen maßgeblichen Einfluss auf die kinetischen Parameter. Diese Arbeit zielt auf die genaue Beschreibung dieser Phänomene unter besonderer Berücksichtigung der Qualität der effektiven Neutronenwirkungsquerschnitte ab. In dieser Arbeit werden neue, 350 Energiegruppen umfassende, mikroskopische Masterbibliotheken basierend auf den JEFF 3.1, JEFF 3.1.1 und ENDF/B VII.0 Evaluationen für das modulare, deterministische Programmsystem KANEXT entwickelt. Für die zeitabhängige Untersuchung wird im Rahmen dieser Arbeit das deterministische Neutronentransportprogramm TORT-TD, das von der GRS entwickelt wird, um eine zeitabhängige Option für Quellneutronen erweitert. Aufgrund der vollimpliziten Zeitintegration kann eine sehr genaue zeitabhängige Simulation eines gepulsten Experiments unter Berücksichtigung von nicht-asymptotischen Neutronenfeldern und der Bilanzierung der lokalen verzögerten Neutronen erfolgen. Darüber hinaus lässt dieses Verfahren nach Beendigung des Pulses das Abklingen der Neutronenpopulationen zu, sodass aus diesen Spektren zeitabhängige kinetische Parameter berechnet werden können. Es zeigt sich in der Nachrechnung der YALINA-Thermal Experimente mit dem erweiterten TORT-TD Programm und den neuen Wirkungsquerschnittsdaten, dass die Ausbildung des Hauptabklingmodus vom Einfluss der verzögerten Neutronen überlagert wird und damit in der experimentellen Auswertung berücksichtigt werden muss. Es ergibt sich für die Neutronengenerationsdauer, berechnet mit den statischen Flussspektren sowie mit den zeitabhängigen Flussspektren, ein Unterschied von 16 %. Für den effektiven Anteil der verzögerten Neutronen ist erwartungsgemäß kein Einfluss festgestellt worden, da die Ausbeute der verzögerten Neutronen unterhalb von etwa 0.01 MeV für den Hauptspaltstoff U-235 konstant verläuft.