Metodologías para la reproducción de transitorios de ruido neutrónico en reactores nucleares PWR

Abstract

[ES] En el seguimiento y control de los reactores nucleares PWR durante su normal operación, se realiza la monitorización del flujo neutrónico con la finalidad de determinar la potencia generada en el interior del mismo, en cada instante. Sin embargo, la señal adquirida no contiene únicamente el valor medio del flujo neutrónico para cada momento, pues siempre se registra la existencia de unas pequeñas fluctuaciones respecto a éste. Estas fluctuaciones, que reciben el nombre de ruido neutrónico, presentan su origen en ligeras variaciones de las secciones eficaces debido a cambios en la geometría del reactor por la vibración de sus componentes, la temperatura del combustible y/o el moderador, o en otros parámetros termohidráulicos. En los últimos años se ha registrado, a lo largo de varios ciclos de operación en los reactores PWR de tipo KWU, una variación en la magnitud del ruido neutrónico registrada. Esta variabilidad, cuya causa aún no se ha podido descubrir y que se traduce en un incremento o decremento de la amplitud de las fluctuaciones detectadas, ha provocado un nuevo aumento en el interés que esta fenomenología posee para la industria y los organismos reguladores. Esta renovada atención ha provocado la creación de un proyecto H2020 CORTEX en el que participan universidades, centros de investigación y operadores de centrales nucleares; y que tiene como principales objetivos la mejora de la comprensión de la fenomenología del ruido neutrónico, así como el desarrollo y la validación de mejores técnicas para su análisis que pueden ser aplicadas en los reactores comerciales. Por este motivo, en la presente tesis se pretende mejorar la comprensión existente respecto a la fenomenología del ruido neutrónico presente en los reactores PWR. Para ello, se considera indispensable el desarrollo de nuevas metodologías y técnicas para la simulación de este tipo de transitorios. Especialmente, por la ausencia, hasta la fecha, de herramientas basadas en el dominio temporal para la reproducción de transitorios de ruido neutrónico en los reactores PWR. Por ello, se propone la introducción de cambios en el código fuente del código de difusión neutrónica 3D PARCS, permitiendo así la simulación de transitorios debidos a la existencia de una fuente de ruido neutrónico. Además, se realiza su validación frente al simulador de ruido neutrónico CORE SIM, basado en el dominio de la frecuencia y que se considera el estado del arte para las herramientas de diagnóstico del ruido neutrónico, para una serie de casos representativos de los tipos de fuente teóricas que se podrían encontrar en el interior de un reactor. Se desarrolla también toda una metodología, que incluye la generación de nuevas secciones eficaces mediante el código de Monte Carlo Serpent, que permita tener en cuenta cambios en la geometría del reactor, como son aquellos debidos a la vibración de los elementos combustibles, intentando de esta forma reproducir los experimentos llevados a término en el reactor experimental CROCUS, de la EPFL en Laussane (Suiza). Por último, se presenta la validación de la capacidad de PARCS para simular transitorios reales de ruido neutrónico registrados en la operación de un reactor KWU. Para ello, se realiza la descomposición de la señal adquirida mediante el análisis SVD con el objetivo de obtener la evolución temporal y la distribución espacial de la fuente de ruido, reintroduciéndola como una perturbación en la densidad en una simulación acoplada del código termohidráulico TRACE con PARCS. De esta forma, el acoplamiento con el código TRACE habilita la capacidad de afrontar, de forma conjunta, la posible realimentación que se produzca entre la la termohidráulica y la neutrónica. No existiendo, hasta ahora, ninguna herramienta para el estudio del ruido neutrónico que incluya el estudio combinado de ambas fenomenologías para el dominio temporal.

[CA] En el seguiment i control dels reactors nuclears PWR durant la seua normal operació, es realitza el monitoratge del flux neutrónic amb la finalitat de determinar la potència generada a l'interior d'aquest, en cada instant. No obstant això, el senyal adquirit no conté únicament el valor mitjà del flux neutrónic per a cada moment, perquè sempre es registra l'existència d'unes xicotetes fluctuacions respecte a aquest. Aquestes fluctuacions, que reben el nom de soroll neutrónic, presenten el seu origen en lleugeres variacions de les seccions eficaces a causa de canvis en la geometría del reactor per la vibració dels seus components, la temperatura del combustible i/o el moderador, o en altres paràmetres termohidráulics. En els últims anys s'ha registrat, al llarg de diversos cicles d'operació en els reactors PWR de tipus KWU, una variació en la magnitud del soroll neutrónic registrat. Aquesta variabilitat, la causa de la qual encara no s'ha pogut descobrir i que es tradueix en un increment o decrement de l'amplitud de les fluctuacions detectades, ha provocat un nou augment en l'interès que aquesta fenomenologia posseeix per a la indústria i els organismes reguladors. Aquesta renovada atenció ha provocat la creació d'un projecte H2020 CORTEX en el qual participen universitats, centres d'investigació i operadors de centrals nuclears; i que té com a principals objectius la millora de la comprensió de la fenomenologia del soroll neutrónico, així com el desenvolupament i la validació de millors tècniques per a la seua anàlisi que poden ser aplicades en els reactors comercials. Per aquest motiu, en la present tesi es pretén millorar la comprensió existent respecte a la fenomenologia del soroll neutrónico present en els reactors PWR. Per a això, es considera indispensable el desenvolupament de noves metodologies i tècniques per a la simulació d'aquest tipus de transitoris. Especialment, per l'absència, fins el dia de huí, d'eines basades en el domini temporal per a la reproducció de transitoris de soroll neu-trónico en els reactors PWR. Per això, es proposa la introducció de canvis en el codi font del codi de difusió neutrónic 3D PARCS, permetent així la simulació de transitoris deguts a l'existència d'una font de soroll neutrónico. A més, es realitza la seua validació enfront del simulador de soroll neutrónic CORE SIM, basat en el domini de la freqüència i que es considera l'estat de l'art per a les eines de diagnòstic del soroll neutrónic, per a una sèrie de casos representatius dels tipus de font teòriques que es podrien trobar a l'interior d'un reactor. Es desenvolupa també tota una metodologia, que inclou la generació de noves seccions eficaces mitjançant el codi de Monte Carlo Serpent, que permet tindre en compte canvis en la geometria del reactor, com són aquells deguts a la vibració dels elements combustibles, intentant d'aquesta forma reproduir els experiments portats a terme en el reactor experimental CROCUS, de l'EPFL en Laussane (Suïssa). Finalment, es presenta la validació de la capacitat de PARCS per a simular transitoris reals de soroll neutrónico registrats en l'operació d'un reactor KWU. Per a això, es realitza la descomposició del senyal adquirit mitjançant l'anàlisi SVD amb l'objectiu d'obtindre l'evolució temporal i la distribució espacial de la font de soroll, reintroduint-la com una pertorbació en la densitat en una simulació acoblada del codi termohidráulic TRACE amb PARCS. D'aquesta forma, l'acoblament amb el codi TRACE habilita la capacitat d'afrontar, de manera conjunta, la possible realimentación que es produïsca entre la la termohidráulica i la neutrónica. No existint, fins ara, cap eina per a l'estudi del soroll neutrónico que incloga l'estudi combinat de totes dues fenomenologies per al domini temporal.

[EN] In the monitoring and control of the PWR nuclear reactors during their normal operation, the monitoring of the neutron flux is carried out in order to determine the power generated inside it, at every moment. However, the acquired signal does not only contain the average value of the neutron flux for each moment, since there is always a small fluctuation with respect to it. These fluctuations, which are called neutron noise, have their origin in slight variations of the cross-sections due to changes in the geometry of the reactor owing to the vibration of its components, the temperature of the fuel and/or the moderator, or in other thermohydraulic parameters. In recent years, a variation in the magnitude of the acquired neutron noise has been recorded over several operating cycles in PWR reactors of the KWU type. This variability, whose cause has not yet been discovered and which results in an increase or decrease in the amplitude of the fluctuations detected, has caused a new increment in the interest that this phenomenology has for the industry and regulatory organisms. This renewed attention has led to the creation of an H2020 CORTEX project with the participation of universities, research centers and nuclear power plant operators; and whose main objectives are the improvement of the knowledge about the neutron noise phenomenology, as well as the development and validation of better techniques for its analysis that can be applied in commercial reactors. For this reason, this thesis aims to improve the existing understanding regarding the phenomenology of neutron noise present in PWR reactors. For this, the development of new methodologies and techniques for the simulation of this type of transients is considered essential. Especially, due to the absence, to date, of tools based on the time domain for the reproduction of neutron noise transients in PWR reactors. Therefore, the introduction of changes in the source code of the 3D neutron diffusion code PARCS is proposed, thus allowing the simulation of transients due to the existence of a neutron noise source. In addition, its validation is performed against the CORE SIM neutron noise simulator, based on the frequency domain and which is considered the state of the art for neutron noise diagnostic tools, for a series of cases representative of the types of theoretical sources that could be found inside a reactor. A whole methodology is also developed, which includes the generation of new cross-sections by means of the Monte Carlo code Serpent, which allows to take into account changes in the geometry of the reactor, such as those due to the vibration of the combustible elements, trying to reproduce the experiments carried out in the experimental reactor CROCUS, of the EPFL in Laussane (Switzerland). Finally, the validation of the capacity of PARCS to simulate real transients of neutron noise recorded in the operation of a KWU reactor is presented. For this, the decomposition of the acquired signal is performed by means of SVD analysis in order to obtain the temporal evolution and spatial distribution of the noise source, reintroducing it as a disturbance in density in a coupled simulation of the TRACE thermal-hydraulic code with PARCS. In this way, the coupling with the TRACE code enables the ability to face, together, the possible feedback that occurs between the thermal-hydraulic and the neutronic fields. There is, so far, no tool for the study of neutron noise that includes the combined study of both phenomenologies for the time domain.