Grupo de investigación TECF3IR de análisis nuclear. Javier Sanz (F. Ogando, P. Sauvan, R. Juárez, J.P. Catalán, M.Piera, L. Pérez y R.

Transcripción

1 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)

2 TECnología sistemas de Fisión, Fusión y Fuentes de Irradiación (TECF3IR) 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 2

3 3 Transporte de radiación

4 MCNP/MCNPX/MCUNED 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) 4

5 Garantía de calidad Utilizado por las instituciones más importantes que hacen uso de instalaciones deuterio-tritio (Reino Unido, Alemania, Eslovenia) Current MCUNED version is based on MCNPX release: -Ver referencias en MCNPX Extensions, LA-UR , August

6 6 ACTIVACIÓN: Evolución del inventario isotópico

7 ACAB 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. 7

8 8 ACAB: Garantía de calidad 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 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

9 9 Acoplamiento transporte- activación: R2SUNED

10 10 Introducción 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)

11 R2SUNED 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). 11

12 Verificación y aplicación de R2SUNED 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 12

13 13 PROYECTOS: Evaluación de instalaciones

14 Proyectos Internacionales 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 Framework Partnership Agreement con Fusion for Energy (código F4E-GRT-168) con título Development of Nuclear Data Files 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. : 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)

15 Proyectos Nacionales 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 Referencia: S2009/ENE-167. Entidades participantes: CIEMAT, LNF, UAM, UC3M, UNED, UPM. Duration, 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: ENE 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 (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 ). SUBPROGRAMA: Subprograma de actuaciones relativas a infraestructuras científicas internacionales (AIC).MODALIDAD: A.Participación en instalaciones internacionales en Hoja Ruta ESFRI. Referencia AIC-A Duración: FUSION CONFINAMIENTO MAGNETICO Convocatoria CONSOLIDER-INGENIO Aplicación código: CSD 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

16 16 EFDA: DEMO 1

17 DEMO 1 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 17

18 Caracterización del entorno de radiación Colaboración con el equipo de mantenimiento remoto del JET (reactor experimental de fusión más grande actualmente). Caracterización del entorno de radiación planificación del mantenimiento de la instalación (trabajadores y resistencia de máquinas). 18

19 19 IFMIF-EVEDA

20 Introducción 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) 20

21 21 Instalación IFMIF

22 Instalación IFMIF Each deuteron accelerator: 125 ma up to 40 MeV neutrons/s 14 MeV 22

23 Programa IFMIF y EVEDA 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 23

24 IFMIF-EVEDA (Engineering Validation and Engineering Design Activities) Machine room Service entrance room Cooling tower yard Access room to RCA* Control room Water Cooling system room Electric yard Nuclear HVAC room Accelerator vault N RF sources Electric yard Cooling tower yard

25 Building. Layout POWER &CONTROL HEBT LINE BEAM DUMP HX Room Inside the vault. From W HX ROOM HX Room BD cell wall

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.

27 INNER CONE Tip support piece

28 SHROUD Water in Cooling pipes

29 CARTRIDGE Cooling pipes

30 POLYETHYLENE WATER SHIELD

31 IRON SHIELD System description SHIELD TROLLEYS SUPPORT

32 IFMIF/EVEDA: Resultados para en blindaje de tanque de agua 32

33 Prototyping: Manufacturing of 1.5 m cone prototype by electrodeposition A B E E F C D D G C D G

34 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 34

35 COOLING SYSTEM: Hydraulic tests of the cartridge prototype Hydraulic circuit for the Beam Dump scale 1:1 prototype presently operating safety valve pump BD electrical panel PHETEN flow meter 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 35 g (peak) 0,080 0,070 0,060 0,050 0,040 0,030 0,020 0,010 0,000 P1-10 cm P2-62 cm P3-110 cm P4-150 cm Inner Cone Variator frequency (Hz)

36 36 ITER

37 Diseño TBM 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. 37

38 Diseño TBM 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 38

39 39 COLABORACIONES

40 Colaboraciones internacionales 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 ISRAEL Soreq Nuclear Research Center: SARAF Soreq Applied Research Accelerator Facility. Utilización de MCUNED 40

41 41 Colaboraciones nacionales: Centros de investigación y universidades 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

42 Colaboraciones empresa. Transferencia I+D 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 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. 42

43 43 Colaboración con otros grupos de ETS Ingenieros Industriales

44 Colaboración con otros grupos ETSSII: Proyecto HiPER 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 , Ministerio de Economía y Competitividad, para diseño de cámara de reacción y sistema de conversión de potencia. 44

45 Análisis nuclear: TECF3IR Dept. de Ingeniería Energética Proyecto HiPER Fluidodinámica: J. Hernández y C. Zanzi Dept. Ingeniería Mecánica Ciclos de potencia: C. Sánchez (Ing. Térmica) Dept. de Ingeniería Energética 45

46 Nuevos desarrollos de ACAB Formulación del problema dn dt i ( λ + ) + ( + ) i σ iφ Ni λ j i σ j iφ = j N j d dt N = AN N i i Número de átomos del nucleido i en el tiempo t λ Constante de desintegración del nucleido i σ i φ Seccion eficaz total de reacción del nucleído i Flujo escalar A Matriz de transición 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 46

47 Gracias por vuestra atención 47