Grupo de investigación TECF3IR de análisis nuclear

Javier Sanz (F. Ogando, P. Sauvan, R. Juárez, J.P. Catalán,

M.Piera, L. Pérez y R. García)

TECnología sistemas de Fisión, Fusión y Fuentes de Irradiación (TECF3IR)

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OBJETIVO Análisis Nuclear vía simulación computacional para tecnologías en fase de I+D, asociadas a la producción de energía y aplicación de las radiaciones ionizantes.

ANALISIS NUCLEAR Transporte de las radiaciones existentes en el sistema - Determinación de flujos y funciones respuesta asociados a la operación (densidad de

potencia en reactores, etc) y fase de parada (dosis residual, etc…) Activación: Evolución de la composición de los materiales al ser irradiados - Generación de productos radiactivos y sus implicaciones en la gestión de residuos, análisis

de seguridad, protección radiológica y planificación de mantenimientos ACTIVIDADES

Evaluación/diseño de instalaciones: - Instalaciones de Fusión. Aceleradores de alta intensidad. Sistemas transmutadores de

residuos radiactivos accionados por acelerador Desarrollo de herramientas computacionales de análisis - Motivo: limitaciones y restricciones en la utilización de los códigos existentes

Transporte de radiación

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MCNP/MCNPX/MCUNED

4

i) Experiencia en integración de la representación CAD 3D en los cálculos

de transporte.

ii) Desarrollo de MCUNED: Extensión del código MCNPX (LA)

• Transporte de iones ligeros: Respuesta a las limitaciones de

códigos de MC al tratar la interacción nuclear de partícula

cargadas y la consiguiente generación de radiación secundaria

(neutrones, fotones)

Garantía de calidad

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Utilizado por las instituciones más importantes que hacen uso de instalaciones deuterio-tritio (Reino Unido, Alemania, Eslovenia)

Current MCUNED version is based on MCNPX 2.7.0 release: -Ver referencias en MCNPX 2.7.4 Extensions, LA-UR-12-00135, August 2012.

ACTIVACIÓN: Evolución del inventario isotópico

6

ACAB

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Predicción de la evolución de la composición de los materiales debido al efecto de la radiación (neutrones, protones y deuterones): en instalaciones de fusión, fisión y aceleradores

Cálculo de funciones respuesta útiles para los análisis de activación: calor residual, índices para análisis de gestión de residuos, índices para análisis de seguridad en la emisiones de radioisótopos, índices para planificación del mantenimiento.

Estimación de incertidumbres en los cálculos de inventario isotópico y funciones respuesta debido a las incertidumbres en los datos nucleares.

ACAB: Garantía de calidad

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Hitos del desarrollo del código ACAB [1] J. Sanz, et al. ACAB V1.0, Instituto de Fusión Nuclear, 1992 [2] J. Sanz, et al, ACAB V2.0, Lawrence Livermore National Laboratory, 1995 [3] J. Sanz, J.M. Balmisa, ACAB V3.0, Lawrence Livermore National Laboratory, 1998 [4] J. Sanz, ACAB V4.0, Lawrence Livermore National Laboratory, 1999 [5] J. Sanz, ACAB V5.0, Lawrence Livermore National Laboratory, 2000 [6] J. Sanz, et al, ACAB V.2008, Nuclear Energy Agency, 2008,

Validaciones relevantes y aplicaciones • REPORT ON THE SECOND INTERNATIONAL ACTIVATION CALCULATION

BENCHMARK COMPARISON STUDY. International Atomic Energy Agency, INDC (NDS)-300, TSIR-21, February 1994. Evaluación de 11 códigos. Conclusiones: FISPACT y ACAB los únicos “suitable and satisfactory” para fusión.

• Lawrence Livermore National Laboratory: Código de referencia para diseño de NIF (National Ignition facility, la instalación experimental más importante de fusión inercial) y utilizado en plantas conceptuales (HYLIFE, Sombrero). Actualmente en LIFE (Laser Inertial Fusion Energy)

• Requisitos de EFDA Work Programme 2013: “to use of MCNP coupled with FISPACT/EAF or ACAB/EAF to calculate de activation…”

Acoplamiento transporte- activación: R2SUNED

9

Introducción

10

Motivación: La activación de los materiales de la instalación debido al campo principal

(neutrones)⇒ campo de radiación residual que produce dosis. Se necesita herramienta para este tipo de análisis y no hay acceso a las

herramientas existentes. En general es necesario una gran resolución espacial en el fuente de fotones.

Objetivo: Tener una herramienta capaz de hacer análisis de dosis residual de forma

automática y con gran resolución espacial ⇒ desarrollo de R2SUNED. Resultado:

R2SUNED está actualmente en la vanguardia con características con mejoras significativas (Flujos y emisión separada) con respecto a las ya existentes.

WP 2013, participación Tarea EFDA: “Development of common European tools for coupled radiation transport and activation calculations” coordinada por F4E.

“the R2S methodology has been independently implemented by several European institutions, most notably R2SMesh (KIT), MCR2S (CCFE) and R2SUNED (UNED)”

R2SUNED

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Acoplamiento MCNP (LANL) y ACAB (UNED).

Gran resolución espacial ⇒ desarrollo en malla.

R2SUNED trabaja con las mallas superpuestas a la geometría de MCNP para activar y para emitir los fotones

Desarrollo en malla ⇒ cálculos masivos (uno por voxel) ⇒ necesidad de cálculos en paralelo ( ↑infraestructura informática).

Verificación y aplicación de R2SUNED

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Se ha verificado en un benchmarking de ITER y otro de EFDA: En ambos se han obtenido resultados muy satisfactorios. El segundo de ellos fue un ejercicio a ciegas, donde participaron KIT,

ENEA, CCFE y UNED. Sólo CCFE y UNED cumplieron los plazos previstos inicialmente y los únicos en cubrir todas las especificaciones.

Ejemplos de aplicaciones: DEMO 1 e IFMIF

PROYECTOS: Evaluación de instalaciones

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Proyectos Internacionales

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FUSIÓN NUCLEAR POR CONFINAMIENTO MAGNETICO Y PROGRAMA COMPLEMENTARIO

En el marco del European Fusion Development Agreement EFDA, varios proyectos dentro el: 2011, 2012 y 2013 Work Programme, asociados al Departamento Power Plant Physics and Technology (PPPT. En los campos de neutrónica y mantenimiento remoto: desarrollo de métodos y aplicaciones a análisis de activación y predicción de dosis residual para planificación de estrategias de mantenimiento.

"Broader Approach" agreement UE-Japan for Activities in the Field of Fusion Energy Research: The broader approach IFMIF/EVEDA project. International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF) – Engineering Validation and Engineering Design Activities (EVEDA) (2007-actualidad). Estudios de protección radiological y segurida paar IFMIF y LiPAC/EVEDA. Diseño de blindaje del Beam Dump de LiPAC/EVEDA.

Fusion for Energy. Lote1 F4E-OMF-331: Engineering Support of the Tritium Breeding Blanket systems. 2013-2017.

“Framework Partnership Agreement” con “Fusion for Energy” (código F4E-GRT-168) con título “Development of Nuclear Data Files”. 2011-actualidad

FUSIÓN INERCIAL

HiPER. European High Power laser Energy Research Facility (Preparatory Phase Study). European Strategy Forum on Research Infrastructures (ESFRI). Funded under 7th FWP (Seventh Framework Programme). SAFETY, ENVIRONMENTAL & FUSION TECHNOLOGY. Grant agreement no. : 211737. 2008-actualidad

INSTALACIONES DE IRRADIACIÓN

Feasibility study and installation of thermal neutron driven 14 MeV neutron converter into the TRIGA research reactor. International Atomic Energy Agency (IAEA TC Project SLO 1 006). Colaboración con el Jožef Stefan Institute, Ljubljana, Slovenia (IP Luka Snoj). 2013

Proyectos Nacionales

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FUSION NUCLEAR Y ACELERADORES

Desarrollo del programa de actividades I+D multidisciplinares de la Instalación Científico-Técnica Singular of the Centro de Tecnologías para la Fusión, ICTS TechnoFusión. .PROGRAMA: Ayudas para la realización de Programas de Actividades de I + D entre grupos de investigación de la Comunidad de Madrid en tecnologías R&D Project CM 2009 . Referencia: S2009/ENE-167. Entidades participantes: CIEMAT, LNF, UAM, UC3M, UNED, UPM. Duration, 2010-2013. Responsable del proyecto total: CIEMAT. Responsable del área Simulación Computacional: UNED

Projecto del Plan Nacional de I+D+i, convocatoria 2008 del Subprograma de Projectos de Investigación Fundamental no orientada (Resolution in Madrid, 22 July of 2008). Reference: ENE2008-06403-C06-02/FTN. IP: J. Sanz. Institución: Universidad Nacional de Educación a Distancia. Centro: Dpto. Ingeniería Energética.Título: Protección radiológica en aceleradores diseñados para simular el daño de materiales en reactores de fusión. Projecto tipo B. Duración: 3 años. 2009-2011 (extendido hasta Diciembre 2012).

FUSION CONFINAMIENTO INERCIAL

Diseño de un BLANKET para HiPER-ESFRI e impacto ambiental de la instalación asociada. Programa Nacional de Internacionalización de la I+D. Convocatoria 2011 (BOE 14.07.2011). SUBPROGRAMA: Subprograma de actuaciones relativas a infraestructuras científicas internacionales (AIC).MODALIDAD: A .Participación en instalaciones internacionales en Hoja Ruta ESFRI. Referencia AIC-A-2011-0726. Duración: 2012-14

FUSION CONFINAMIENTO MAGNETICO

Convocatoria CONSOLIDER-INGENIO 2010. Aplicación código: CSD2008–00079. Título: Fusion Technology Programme. TECNOFUS. IP del Proyecto total: Joaquin Sánchez (Ciemat). IP del Grupo 1 de actividades: GRUPO G1: Computational neutronics for DRM He Pb15.7Li Design, J. Sanz. Duración: Hasta diciembre 2013

EFDA: DEMO 1

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DEMO 1

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DEMO 1: se está desarrollando un reactor demostrador para fusión por confinamiento magnético en paralelo al experimento ITER.

Análisis nuclear realizado: Caracterización del entorno de radiación del reactor (mantenimiento remoto), activación de los componentes de dentro de la cámara y blindaje de las bobinas superconductoras.

Bobinas superconductoras

Cámara de vacío

Plasma Envoltura

regeneradora Divertor

Caracterización del entorno de radiación

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Colaboración con el equipo de mantenimiento remoto del JET (reactor experimental de fusión más grande actualmente).

Caracterización del entorno de radiación ⇒ planificación del mante-nimiento de la instalación (trabajadores y resistencia de máquinas).

IFMIF-EVEDA

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Introducción

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Acuerdo Japón/UE “Broader Approach ( Febrero 2007): Fase EVEDA de IFMIF Engineering Validation and Engineering Design Activities Broader Approach” (BA); objetivos: Complementar el proyecto de FCM ITER y desarrollar tecnologías avanzadas para futuros reactores de fusión Instalaciones que componen BA: Fase EVEDA de IFMIF, Proyecto del Satellite Tokamak JT60-SA Centro internacional de Computación para el Desarrollo de la Energía de Fusión (IFERC)

Instalación IFMIF

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Instalación IFMIF

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Each deuteron accelerator: 125 mA up to 40 MeV 1017 neutrons/s 14 MeV

Programa IFMIF y EVEDA

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Equipos a desarrollar en la fase EVEDA de IFMIF: acelerador LiPAC

Construcción de prototipos de las unidades principales de IFMIF: Prototipo del Acelerador (mismas características que el de IFMIF pero de energía máxima 9 MeV) en vez de los 40 MeV previstos para aquél) LiPAC: Linear IFMIF Prototype Accelerator Blanco de litio a escala reducida Celdas de irradiación

IFMIF-EVEDA (Engineering Validation and Engineering Design Activities)

Machine room Service entrance room

Control room

Access room to RCA*

Electric yard

Electric yard

Cooling tower yard

Cooling tower yard

RF sources

Accelerator vault

Nuclear HVAC room

Water Cooling system room

N

Machine room Service entrance room

Control room

Access room to RCA*

Electric yard

Electric yard

Cooling tower yard

Cooling tower yard

RF sources

Accelerator vault

Nuclear HVAC room

Water Cooling system room

N

BEAM DUMP

HX ROOM

HEBT LINE POWER &CONTROL

- 25 -

Building. Layout

Inside the vault. From W

HX Room BD cell wall

HX Room

- 26 -

Cartridge

Tip

Stop continuous and pulsed 9 MeV deuteron beams. The maximum beam power is 1.12 MW corresponding to a beam current of 125 mA.

INNER CONE

Tip support piece

SHROUD

Cooling pipes

Water in

CARTRIDGE

Cooling pipes

WATER SHIELD

POLYETHYLENE

System description IRON SHIELD

SUPPORT

SHIELD TROLLEYS

IFMIF/EVEDA: Resultados para en blindaje de tanque de agua

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Prototyping: Manufacturing of 1.5 m cone prototype by electrodeposition

A B

C D

E E

C D

F

D

G

G

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Manufacturing of a 1:1 scale prototype by EBW

Experience gained: -Analysis of the assembly/disassembly procedure →auxiliary parts. -Geometry checking →more realistic simulation of coolant flow and relative offset of the beam

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· Hydraulic circuit for the Beam Dump scale 1:1 prototype presently operating

COOLING SYSTEM: Hydraulic tests of the cartridge prototype

Experimental tests: BD-Ex1: pressure loss in the BD cartridge BD-Ex2: test the different operation scenarios BD-Ex3: measurement of vibrations in the inner cone BD-Ex7: test of hydrophones with different flow conditions on-going PH-Ex1: measurement of the heat transfer coefficient on-going

BD

PHETEN

pumpelectrical panel

safety valve

flow meter

0,000

0,010

0,020

0,030

0,040

0,050

0,060

0,070

0,080

0 10 20 30 40 50

g (p

eak)

Variator frequency (Hz)

Inner ConeP1 - 10 cmP2 - 62 cmP3 - 110 cmP4 - 150 cm

ITER

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Diseño TBM

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Fusion for Energy (F4E) es la agencia que gestiona el presupuesto europeo de ITER.

F4E designa contratistas industriales mediante competición abierta a nivel europeo.

Los TBMs son un componente clave en ITER, articulados en el contrato F4E-OMF-331.

TECF3IR, junto con IDOM, participa en el lote I.

Diseño TBM

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TECF3IR se encarga del análisis nuclear de todos los sistemas de los Test Blanket Modules (TBMs): análisis de dosis y definición de blindajes planificación de exposición a la radiación deposición de calor gestión de residuos

COLABORACIONES

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Colaboraciones internacionales

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EUROPA EFDA: CCFE (Culham Centre for Fusion Energy, Reino Unido) y KIT (Karlsruhe

Institute of Technology, Alemania) Jožef Stefan Institute, Ljubljana, Slovenia, en el marco del proyecto: Feasibility study

and installation of thermal neutron driven 14 MeV neutron converter into the TRIGA research reactor (IAEA TC Project SLO 1 006). (MCUNED)

Physikalisch-Technische Bundesanstalt o PTB (Alemania). Instituto de Metrología para las ciencias, la técnica y la sociedad. Utilización de MCUNED.

Institut de Physique Nucléaire (UMR 8608)/Université Paris Sud; y Institut de Physique Nucléaire de Lyon). Participación en el Proyecto SPIRAL2: BEAM STOP (SAFARI)

EE.UU Lawrence Livermore National Laboratory. Consultoría en la utilización de ACAB en el

proyecto Laser Inertial Fusion Energy (LIFE). Los Alamos National Laboratory.Colaboración con el equipo de desarrollo del MCNPX.

Exportar MCUNED capacidades a MCNPX 2.7.4. ISRAEL

Soreq Nuclear Research Center: SARAF – Soreq Applied Research Accelerator Facility. Utilización de MCUNED

Colaboraciones nacionales: Centros de investigación y universidades

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Instituto de Fusión Nuclear (DENIM), perteneciente a la Universidad Politécnica de Madrid. Proyecto HiPER, European High Power laser Energy Research facility. Laboratorio de Estadística. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales. Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Propagación de incertidumbres en los cálculos de dosis residual. Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas, CIEMAT: Asociación EURATOM-CIEMAT para Fusión (AEC)

Marco: Simulación computacional para el análisis nuclear/neutrónico de distintas tecnologías de fusión nuclear y aceleradores:

Proyectos bilaterales vigentes más relevantes: Acuerdo Específico UNED-CIEMAT en el área de “Participación en el Proyecto ITER”. Acuerdo específico de colaboración entre CIEMAT y UNED) para “Cooperación en las actividades

derivadas del Acuerdo del Enfoque Ampliado para la Fusión Nuclear”. Convenio de colaboración CIEMAT-UNED para la protección radiológica y seguridad en aceleradores

de alta intensidad tipo EVEDA-LIPAC/IFMIF División de Fisión Nuclear (Unidad de Innovación Nuclear) del CIEMAT.

Marco: simulación computacional aplicada al análisis de los núcleos subcriticos de sistemas transmutadores de residuos nucleares accionados por acelerador.

Proyecto UE/EURATOM.Integrated Project (IP) EUROTRANS: EURopean Research Programme for the TRANSmutation of High Level Nuclear Waste in an Accelerator Driven System..

Proyecto bilateral actual: Transmutación de residuos de alta actividad

Colaboraciones empresa. Transferencia I+D

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ACCIONA Infraestructuras, Departamento de I+D:Estudio de las propiedades del blindaje biológico y activación de diferentes tipos de hormigones reforzados (FUSION/ITER)

IDOM: - Estudio de viabilidad del acoplamiento del código MCNP/MCNPX con ANSYS Fluent.

IDOM y SEA . Lote1 F4E-OMF-331: Engineering Support of the Tritium Breedeing Blanket systems. 2013-17

ENUSA: Desarrollo de una metodología para cálculos de activación de componentes estructurales del combustible y aditamentos basa en el uso de ACAB.

Arraela, S.A. Evaluación de propuesta de blindajes-Arraela para instalaciones de protonterapia.

Colaboración con otros grupos de ETS Ingenieros Industriales

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Colaboración con otros grupos ETSSII: Proyecto HiPER

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El proyecto HiPER (ESFRI Unión Europea): principal proyecto europeo para desarrollo de la fusión nuclear inercial con fines civiles

La UNED participa en HiPER mediante proyecto AIC-A-2011-0726, Ministerio de Economía y Competitividad, para diseño de cámara de reacción y sistema de conversión de potencia.

Proyecto HiPER

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Análisis nuclear: TECF3IR Dept. de Ingeniería Energética

Fluidodinámica: J. Hernández y C. Zanzi Dept. Ingeniería Mecánica

Ciclos de potencia: C. Sánchez (Ing. Térmica) Dept. de Ingeniería Energética

Nuevos desarrollos de ACAB

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Formulación del problema

( ) ( )∑ →→ +++−=j

jijijiiii NN

dtdN φσλφσλ

iN Número de átomos del nucleido i en el tiempo t

iλ Constante de desintegración del nucleido i

iσ Seccion eficaz total de reacción del nucleído i

φ Flujo escalar

Sistema de n ecuaciones diferenciales ordinarias lineales de primer orden con coeficientes constantes: n 2500 • Matriz dispersa, y valores propios muy distintos (mal condicionada) Evaluación e implementación de nuevos solvers específicos para el problema:

acotación del error. Dpto. Matemática Aplicada I

NNdtd A=

A Matriz de transición

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Gracias por vuestra atención