Desarrollo de criterios nucleares de diseño de fuentes de neutrones de espalación

• Autores: Fernando Sordo Balbin
• Directores de la Tesis: Alberto Abánades Velasco (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2008
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: José María Martínez-Val Peñalosa (presid.), Francisco Martin-Fuertes Hernández-Sonseca (secret.), Jose Benlliure Anaya (voc.), Emilio Mínguez Torres (voc.), Oscar Cabellos (voc.)
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología nuclear
      • Reactores de fusión nuclear
    • Tecnología de las telecomunicaciones
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
• Resumen

  • Abastract Spallation neutrón sources allow obtaining high neutronic flux for many applications, scientific or industrial. Due to this, in recent years, several proposals have been made where its use is suggested, among which should be highlighted the European Spallation Source (ESS), the Japanese Spallation Source (JSNS) or the Accelerator-Driven Subcritical Reactor (ADS). Given their interest, it is necessary to have some design basis on which to build the engineering analysis of this kind of installations or components. In this sense, all works done to date seek to obtain particular solutions to a concrete design, but there has been no development of a defined methodology that allows guidance for an integral design. In the integral design of a spallation source, all relevant physical processes that may influence its behavior must be taken into account. Neutronic aspects (emitted neutrons and their spectrum, generation performance...), thermomechanical (energy deposition, cooling conditions, stress distribution...), radiological (spallation waste activity, activation reactions and residual heat) and finally material proprierties alteration due to irradiation (atomic displacements and gas generation) must all be considered. The main objective of this thesis is to analyze in a systematic manner the different options available in scientific literature, and based on that, determining the limiting factor of each conceptual design, its application range and the optimal materials for it. To achieve this goal, a series of general simulations have been completed, covering all the relevant physical processes. Finally, the obtained criteria are applied to the particular case of the design of the spallation source of subcritical reactors PDX-ADS and XT-ADS. These two designs, developed under the European R&D Framework Program, represent the most emphasized concepts in subcritical reactors. This document can be divided in six parts, one for each chapter. In chapter 1, the general approach for a spallation source and the different available concepts in literature is given. In chapter 2, the concept of integral design of a spallation target is presented, as well as the methodology used to apply it under the particular circumstances of the studied targets. Once the problem is explained, there is a brief commentary on the different codes used to solve the physical processes happening in the target. Chapter 3 presents the full study of solid spallation sources. Three conceptual designs are analyzed from the thermomechanical point of view: compact target, target distributed along conical surfaces and target distributed on plates. Three materials commonly proposed in the literature as possible solid targets are analyzed: Tungsten, tantalum and uranium. The chapter ends with a series of general conclusions about solid source design. Chapter 4 covers the design of liquid targets. Both window and windowless targets are analyzed. Just like it was done with solid targets, the different materials proposed in the literature as possible liquid targets are analyzed: lead, lead-bismuth, tin, tin-lead and mercury; and also the different alloys that can be used on the window: steel, aluminum, vanadium and titanium. Lastly, a series of general conclusions about liquid source design is presented. Chapter 5 presents a synthesis of the conclusions obtained from the study of the different conceptual designs, as well as an analysis of the different materials proposed on each of them. Finally, chapter 6 shows the application of the developed methodology and criteria towards the technological challenge offered by the spallation source of projects PDX-ADS and XT-ADS. As a final synthesis, it can be said that a methodology and design basis from which to build a detailed engineering analysis of a spallation target has been established, applying the results to a particular design. Resumen Las fuentes de neutrones de espalación, permiten obtener flujos neutrónicos elevados para multitud de aplicaciones, tanto científicas como industriales. Debido a ello, durante los últimos años han surgido iniciativas en las que se plantea su utilización, entre las cuales destacan: La fuente europea de espalación (ESS), La Fuente Japonesa de espalación (JSNS) o los reactores subcríticos guiados por acelerador (ADS). Dado su interés, es necesario disponer unas bases de diseño sobre las cuales cimentar el análisis de ingeniería de este tipo de instalaciones o componentes. En este sentido los trabajos realizados hasta la fecha, buscan obtener soluciones particulares a un diseño concreto, pero no se ha desarrollado una metodología definida que permita orientar un diseño integral. En el diseño integral de una fuente de espalación, es necesario tener en cuenta, todos los procesos físicos relevantes que pueden condicionar su comportamiento. Han de considerarse aspectos neutrónicos (neutrones emitidos, espectro de los mismos, rendimiento de generación...), termomecánicos (deposición energética, condiciones de refrigeración, distribución de tensiones...), radiológicos (actividad de los residuos de espalación, reacciones de activación y calor residual) y finalmente la alteración de las propiedades de los materiales con la irradiación (desplazamientos atómicos y generación de gases). El objetivo principal de esta tesis, es analizar de forma sistemática las diferentes opciones planteadas en la literatura científica, y en base a ello, determinar el factor limitante de cada diseño conceptual, su rango de aplicación y los materiales idóneos para el mismo. Para ello, se han realizado una serie de simulaciones de carácter general que abarcan todos los procesos físicos relevantes. Finalmente, los criterios desarrollados se aplican a la problemática particular del diseño de la fuente de espalación de los reactores subcríticos PDX-ADS y XT-ADS. Estos dos diseños, desarrollados en el proyecto europeo IP-Eurotrans, representan los conceptos más destacados en el marco de los reactores subcríticos. Este documento puede dividirse en seis partes, que se corresponden con los diferentes capítulos . En el capítulo 1, se expone de forma breve el planteamiento general de una fuente de espalación y los diferentes conceptos disponibles en la literatura. El capítulo 2 presenta el concepto de diseño integral de un blanco de espalación y la metodología utilizada para aplicarlo a las condiciones particulares de los blancos estudiados. Una vez planteado el problema, se realiza un breve comentario de los diferentes códigos utilizados para resolver los procesos físicos que tienen lugar en el blanco. El capítulo 3, presenta el estudio completo de las fuentes sólidas de espalación. Se analizan tres diseños conceptuales desde el punto de vista termomecánico: blanco compacto, blanco distribuido en superficies cónicas y blanco distribuido en láminas. Se analizan tres materiales comúnmente propuestos en la literatura como posibles blancos sólidos: wolframio, tántalo y uranio. El capítulo finaliza con una serie de conclusiones generales sobre el diseño de fuentes sólidas. El capítulo 4 abarca el diseño de los blancos líquidos. Se analiza tanto blancos con ventana como blancos sin ventana. De forma similar a lo realizado en el marco de los blancos sólidos, se analizan los diferentes materiales planteados en la literatura, como posibles blancos líquidos de espalación: plomo, plomo-bismuto, estaño, estaño-plomo y mercurio; y junto a ellos las diferentes aleaciones que pueden configurar la ventana: acero, aluminio, vanadio y titanio. Para finalizar el capítulo se realiza la exposición de una serie de conclusiones generales sobre el diseño de fuentes líquidas. El capítulo 5 presenta una síntesis de las conclusiones derivadas del estudio de los diferentes diseños conceptuales, junto con un análisis de los diferentes materiales planteados en cada uno de ellos. Finalmente, el capítulo 6 muestra la aplicación de la metodología y los criterios desarrollados a lo largo del documento, al reto tecnológico planteado en la fuente de espalación de los proyectos PDX-ADS y XT-ADS. Como síntesis final, se puede decir que se ha establecido una metodología y unas bases de diseño a partir de la cual cimentar el análisis detallado de ingeniería de un blanco de espalación, aplicando los resultados a un diseño particular.