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““Progetto Progetto neutronico neutronico didimassima dellmassima dell’’impiantoimpiantosperimentalesperimentale””..

Carlo Maria Vibertiviberti@ge.infn.it

Punto di partenza Punto di partenza I:I:il il fuel assemblyfuel assembly

Fuel Assembly

L FA ≅

9.7

cm

∼30 kgUO2-enr./FA

∼45 kgPb/FA

x

y z=0

(hattiva = 90 cm)hFA ≅ 130 cm

x

y z=0Restrizioni:– keff ~ 0.95

Punto di partenza Punto di partenza II:II:ll’’assemblaggio sotto-criticoassemblaggio sotto-critico

quanti FAs?

quanto riflettore?

(r tot?) vessel

riflettore

FAs

Beamline & target

rtot

Configurazione Configurazione ““pienapiena””

MCNPX 2.6.0, kcode, ENDF/B.-VII

Configurazione Configurazione ““pienapiena””

MCNPX 2.6.0, kcode, ENDF/B.-VII

rtot=120 cm

Errore sistematicoErrore sistematico

keff = 0.946

+0.007-0.003

!"#

$%&

∼1.8 tUO2-enr.

∼2.7 tPb in FAs

∼84 tPb in rifl.

x

y z=0

Studio del Studio del targettarget

Ottimizzata per p @ 70 MeV, 0.75 mA

p_i

Sbarra di Berillio,

concezione TRADE

∼200 gBe

(Z(X)=20·X-9.5)

Ottimizzazione dimensioniOttimizzazione dimensionibersaglio bersaglio II

Dimensioneproposta

(Z(X)=20·X-9.5)

Ottimizzazione dimensioniOttimizzazione dimensionibersaglio bersaglio II

Dimensioneproposta

Ginocchio: oltre il ginocchiosfuggono solo i protonisecondari. Infatti…

Ottimizzazione dimensioniOttimizzazione dimensionibersaglio bersaglio IIII

Energia (MeV)

Partenza

Start

Spettro energeticodei protoni in fugadal target perd i f f e r e n t idimensioni delbersaglio (A, B, …).

Ottimizzazione Ottimizzazione spotspot fasciofascio

3 cm

~ 0.6 cm

r

R = 1.5 cmDimensioneproposta

(Z(X)=20·X-9.5)

Caratterizzazione sorgenteCaratterizzazione sorgente

dE d!

4"!( )E! " 0.091#p _ i $ 4.3 #1014 neutroni sec .

dV

V! " 49.3 kW.

Fondamentale per progettare il sistema direfrigerazione dedicato al target

( 1 MeV/cm3/p_i = 0.75 kWatt/cm3 )

(Corrente fascio: 0.75 mA)

1 20-1-2-10

-50

510

1520

(Corrente fascio: 0.75 mA)

Yield totale dei neutroni di sorgente:

Collocazione assialeCollocazione assialesorgente sorgente II

δδ

Centro del target

Centro dell’active core

Target

δδ Distanza tra i due centriDistanza tra i due centri

qualequale δ δ è è il migliore? il migliore?

BeamlineActive core

hattiva =

90 cm

δ ≅ 5 cmDimensioneproposta

Collocazione assialeCollocazione assialesorgente sorgente IIII

Deutoni Deutoni ??

Deutoni Deutoni ??

Yield totale: p @ 70 MeV ≈ d @ 50 MeV

In un A.D.S. la “sorgente” deve essereben conosciuta: vi è la necessità di

studiare sperimentalmente p+9Be perverificare/(eventualmente)correggere i

risultati forniti da MCNPX.

Conoscere Conoscere la la sorgente sorgente !!

“Resa neutronica di protoni da 62 MeV su bersagliodi Berillio: esperimento preliminare”.

M. Ripani, INFN-Ge

Andamento radiale potenzaAndamento radiale potenza

ENDF/B.-VII:

Ptot ~190 kWth

Andamento radiale potenzaAndamento radiale potenza

JENDL-3.2:

Ptot ~230 kWth Ptot = 199

+29-10

!"#

$%&

kWthTotale:

Distribuzione assiale densitàDistribuzione assiale densitàdi potenzadi potenza

Flusso neutronico barraFlusso neutronico barrainternainterna

Flusso integrale barra interna: φtot ~ 6·1012 n/cm2/sec( p @ 70 MeV, 0.75 mA )

ENDF/B.-VII

Flusso neutronico barraFlusso neutronico barrainternainterna

ENDF/B.-VII

Flusso “lento”:φ<0.5 MeV ≅ 4.4·1012 n/cm2/sec ⇒ φ<0.5 MeV / φtot = (69.8±0.5)%

Flusso “veloce”:φ>0.5 MeV ≅ 1.9·1012 n/cm2/sec ⇒ φ>0.5 MeV / φtot = (30.2±0.4)%

Flusso integrale barra interna: φtot ~ 6·1012 n/cm2/sec( p @ 70 MeV, 0.75 mA )

Simulazioni di bruciamento Simulazioni di bruciamento II

Barra di MA nellaposizione più interna.

MCB-1c

∼20 pcm

Flusso medioparte attiva

Flusso medioriflettore

σ(n, γ)del 99Tc

Flusso neutronico riflettoreFlusso neutronico riflettore

Flusso integrale medio riflettore: φtot ~ 1·1012 n/cm2/sec( p @ 70 MeV, 0.75 mA )

ENDF/B.-VII

Simulazioni di bruciamento Simulazioni di bruciamento IIII

Barra di LLFPnel riflettore.

MCB-1c

∼5 pcm

Ulteriori simulazioniUlteriori simulazioni

A seguito delle simulazione effettuate pervalutare gli O.d.G. delle caratteristichefondamentali reattore, sono stati eseguiti altristudi per comprendere la componente velocedei neutroni e l’effetto di “pozzetti” perl’inserimento di apparati sperimentali.

Dipendenza dallDipendenza dall’’acceleratoreacceleratore

Legnaro - Ciclotrone

p @ 70 MeV, 0.75 mA

Legnaro - IFMIF

p @ 20 MeV, 120 mA

(entrambi ENDF/B.-VII)

Pfascio|target ~ 50 kW

Ptot ~ 190 kWthφtot ~ 6·1012 n/cm2/sec

Percentuale flusso “lento”:φ<0.5 MeV / φtot = (69.8±0.5)%

Percentuale flusso “veloce”:φ>0.5 MeV / φtot = (30.2±0.4)%

Pfascio|target ~ 2.4 MW

Ptot ~ 3.4 MWthφtot ~ 1·1014 n/cm2/sec

Percentuale flusso “lento”:φ<0.5 MeV / φtot = (69.3±0.5)%

Percentuale flusso “veloce”:φ>0.5 MeV / φtot = (30.7±0.4)%

Bar

ra in

tern

a

Dipendenza dai materialiDipendenza dai materialistrutturalistrutturali: studio : studio sul flussosul flusso..

Med

io p

er b

arra

Studio Studio sul flussosul flusso: : tolto tolto He, Al,He, Al,cladding rodcladding rod e e cladding FAcladding FA

Med

io p

er b

arra

Rimane combustibile e matrice di piombo

Med

io p

er b

arra

Studio Studio sul flussosul flusso: : ripristinoripristinocladding FAcladding FA

Manca elio-gas, alluminio e cladding rod

Med

io p

er b

arra

Studio Studio sul flussosul flusso: : ripristino ilripristino ilcladding rodcladding rod

Manca elio-gas e alluminio

Med

io p

er b

arra

Studio Studio sul flussosul flusso: : ripristinoripristinoll’’alluminioalluminio

Manca elio-gas

Studio Studio sul flussosul flusso: : ripristinatoripristinatoanche anche HeHe

Med

io p

er b

arra

Tutto ripristinato

Studio Studio sul flussosul flusso: : ZircaloyZircaloyanziché anziché AISIAISI

Med

io p

er b

arra

AISI

Studio Studio sul flussosul flusso::combustibilecombustibile

Bar

ra in

tern

a

φ>0.5/ φtot ≅ 32.8%Frazione flusso veloce - noOX

φ>0.5/ φtot ≅ 30.1%Frazione flusso veloce - yesOX

57 FA

keff ≅ 0.913

Ptot ≅ 117 kWth

Pozzi Pozzi per per esperimenti esperimenti I:I:

60 FA

keff = 0.946

+0.007-0.003

!"#

$%&

Ptot = 199

+29-10

!"#

$%&

kWth

keffpiena ! 0.95, keff

bucata " 0.95

65 FA

keff ≅ 0.934

Ptot ≅ 161 kWth

68 FA

keff ≅ 0.964

Ptot = 298 kWth

Pozzi Pozzi per per esperimenti esperimenti II:II: keff

piena > 0.95, keffbucata < 0.95

73 FA

keff ≅ 0.952

Ptot ≅ 217 kWth

76 FA

keff ≅ 0.978

Ptot ≅ 492 kWth

Pozzi Pozzi per per esperimenti esperimenti III:III: keff

piena ! 0.95, keffbucata " 0.95

Pozzi Pozzi per per esperimenti esperimenti IVIV

Pozzo vuoto più interno

φ>0.5/ φtot~26%Frazione flusso veloce

φ<0.5/ φtot~74%Frazione flusso lento