Time-dependent Monte Carlo in fissile systems with beta-delayed neutron precursors

Abstract

En el campo de la física de reactores nucleares, los fenómenos transientes suelen estudiarse usando métodos deterministas o híbridos. Estos métodos requieren de variadas aproximaciones, tales como: discretizaciones de la geometría, del tiempo y de la energía; homogeneización de materiales; y suposición de condiciones de difusión, por mencionar algunas. En este contexto, las simulaciones Monte Carlo son especialmente adecuadas para estudiar estos problemas. Los retos que se presentan al usar simulaciones Monte Carlo en cinética espacio-temporal de sistemas fisibles son las escalas de tiempo inmensamente distintas involucradas en la emisión de neutrones inmediatos y retardados, lo que implica que los resultados obtenidos tienen asociada una gran varianza si se utiliza una simulación Monte Carlo análoga. Además, tanto en simulaciones deterministas como en Monte Carlo, los precursores de neutrones retardados están agrupados en una estructura 6 u 8 grupos, pero hoy en día no hay una razón sólida para mantener esta agrupación. En este trabajo, y por primera vez, se han implementado los datos de precursores individuales en una simulación Monte Carlo, incluyendo explíctamente la dependencia temporal relacionada con la emisión beta-retardada de neutrones. Esto fue logrado modificando el código abierto Monte Carlo OpenMC. En el código modificado Time Dependent OpenMC u OpenMC(TD) se abordó la dependencia temporal relacionada con la emisión retardada de neutrones originada de la desintegración beta. La varianza del valor esperado de observables, como el flujo neutrónico, asociada a las diferentes escalas de tiempo entre los neutrones inmediatos y retardados, fue reducida forzando la desintegración de una nueva partícula Monte Carlo añadida al código, el precursor, dentro de cada intervalo temporal, incrementando intencionalmente el número de neutrones retardados en la simulación. Dado que hay una producción continua de neutrones retardados, se tuvo que imponer el control de población. Esto se logró usando el método de combing al final de cada intervalo temporal. Los datos de secciones eficaces dependientes de la energía vienen de la biblioteca JEFF- 3.1.1. Los datos de los precursores individuales fueron tomados de las bibliotecas JEFF-3.1.1 (yields cumulativos) y ENDF-B/VIII.0 (probabilidades de emisión de neutrones retardados y espectros de energía de neutrones retardados). OpenMC(TD) fue probado en: i) un sistema monoenergético; ii) un sistema sin moderación y dependiente de la energía donde los precursores se tomaron individualmente o en grupos; y finalmente iii) un sistema moderado por agua liviana dependiente de la energía, usando 6-grupos de precursores, 50 precursores y 40 precursores individuales.