Sistema de monitorización de la reactividad en un reactor nuclear subcrítico.

Sistema de monitorización de la reactividad en un reactor nuclear subcrítico.

La invención se refiere a un sistema para monitorizar la reactividad en un reactor nuclear subcrítico en una única interrupción de haz que comprende al menos un detector rápido de neutrones y una fuente de alta tensión para alimentar el mismo, un inversor de alta tensión con medios para conectar el ánodo del detector a un amplificador de corriente con ancho de banda de al menos 10 MHz, y un digitalizador rápido de al menos 12 bits de resolución vertical y 10 MS/s. Gracias a estos elementos, el sistema es capaz de realizar mediciones con un ancho de banda suficiente para medir perturbaciones en el flujo neutrónico a nivel de tiempo de vida medio entre generaciones.

Sistema de monitorización de la reactividad en un reactor nuclear subcrítico

Sector de la técnica La presente invención pertenece al campo de la física nuclear. En particular, la invención se refiere a un sistema de monitorización de la reactividad de un reactor nuclear subcrítico guiado por acelerador utilizando técnicas de interrupción del haz (beam-trips) .

Estado de la Técnica El concepto de sistema subcrítico guiado por acelerador (ADS por sus siglas en inglés) ha sido objeto de considerable interés desde los años 90, debido a su potencial para reducir el volumen y la radiotoxicidad del combustible nuclear irradiado. Más concretamente, la utilidad de los ADS viene dada por su capacidad para fisionar grandes cantidades de plutonio y americio presentes en el combustible nuclear irradiado, de cuya actividad a largo plazo son los principales responsables, y así transmutarlos en productos de fisión de vida más corta.

Un ADS consiste en un reactor nuclear subcrítico acoplado a una fuente externa de neutrones. La constante de criticidad (keff) se define como la relación entre el número de neutrones creados en un sistema mediante fisiones y el número de neutrones perdidos mediante captura neutrónica o escape geométrico. Si keff<1, el sistema se dice subcrítico y la población neutrónica se extingue al cabo de un cierto tiempo. Si keff=1 el sistema se dice crítico y la población neutrónica y la potencia del sistema se mantiene constante en el tiempo; este es el modo de operación normal de los reactores nucleares convencionales.

Finalmente, si keff>1 el sistema se dice supercrítico y la población neutrónica y la potencia crecen de forma exponencial en el tiempo.

Es también común utilizar la reactividad del sistema definida como:

k º1

ºº eff keff

En un sistema crítico, p=0; en un sistema subcrítico, p<0 y en un sistema supercrítico p>0.

Diversos criterios de seguridad conducen a que la mayoría de los ADS operen con valores de keff=0.95-0.98. Con estos valores de keff, se tiene que por cada neutrón de la fuente se producen por fisiones en el sistema subcrítico entre 20 y 100 neutrones adicionales, de forma que la potencia generada en el conjunto subcrítico es mucho mayor que la necesaria para el funcionamiento del acelerador y el sistema completo tiene un balance energético positivo.

Una condición de seguridad básica para operar un ADS es garantizar que se puede monitorizar la keff del sistema, de forma que exista un adecuado margen de seguridad frente a accidentes durante la operación, tanto más necesario en cuanto estos sistemas están diseñados para funcionar con grandes cantidades de plutonio y actínidos minoritarios que degradan los parámetros de seguridad del sistema.

En las conclusiones finales del proyecto MUSE-4 del 5º programa marco de la UE se proponía combinar dos técnicas para la monitorización continua de la reactividad de un ADS. La primera de estas técnicas se basa en medir la relación entre la corriente del haz del acelerador y el flujo de neutrones en el reactor (current-to-flux) . Sin embargo, esta técnica tiene el inconveniente de que solamente proporciona medidas relativas de la reactividad y en consecuencia debe ser complementada con una segunda técnica que proporcione valores absolutos. La opción más aceptada consiste en utilizar las técnicas de medida absoluta de la reactividad existentes para las interrupciones cortas de la fuente de neutrones (beam-trips) .

El principio de un “beam-trip” se puede observar en la figura 1. Tras la interrupción de la fuente externa de neutrones, la población neutrónica en el reactor (en la práctica, la tasa de contaje del detector) experimenta una caída muy rápida debida al decaimiento de los neutrones inmediatos seguido de un nivel constante debido a los neutrones retardados. Los neutrones retardados se producen como consecuencia de la desintegración de núcleos inestables originados en el proceso de fisión, con vidas medias de hasta decenas de segundos. Representan entre aproximadamente el 0.2 y el 0.7% de los neutrones producidos en la fisión nuclear, dependiendo del combustible utilizado, en contraste con los Neutrones inmediatos (prompt neutrons) , que son producidos en el mismo instante de ocurrir la fisión nuclear y representan más del 99% de los neutrones producidos en la fisión nuclear.

Existen principalmente dos métodos de determinación de la reactividad mediante beam trips con sus múltiples variaciones dependiendo de las correcciones aplicadas. El primero se conoce como método de la constante de decaimiento de los neutrones inmediatos, o simplemente, método de las pendientes. Este método se deriva del modelo de la cinética puntual y de él se obtiene una relación entre la reactividad del sistema y la constante de decaimiento de los neutrones inmediatos, a:

ES 2 415 031 A1

eff eff

Donde Ieff y ºeff son, respectivamente, el tiempo medio entre generaciones neutrónicas y la fracción de neutrones retardados, conocidos globalmente como los parámetros cinéticos del sistema.

El segundo método para determinar la reactividad de un sistema subcrítico a partir de los resultados de un experimento con fuente de neutrones pulsada se conoce como método source jerk, en el que la reactividad viene dada por:

º n0 n1

eff

n

Donde n0 es el flujo de neutrones antes de la interrupción y n1 el flujo de neutrones después.

Un aspecto importante que debe tenerse en cuenta a la hora de obtener la reactividad mediante beam trips es que estos no pueden ser muy frecuentes, ya que eso afectaría el normal funcionamiento del reactor. Esta circunstancia obliga a que la técnica utilizada proporcione una estimación de la reactividad con una precisión suficiente en un único beam trip.

Hay dos regímenes de operación en un detector que pueden utilizarse durante la medida de un beam trip: modo pulso, en el que los eventos de detección pueden analizarse individualmente, y modo corriente, donde es imposible separar los eventos individuales. El modo pulso tiene la ventaja de que a partir de la información registrada sobre los eventos individuales es posible obtener información sobre las propiedades de la radiación incidente. Sin embargo, a partir de una cierta tasa de contaje el número de eventos individuales que se superponen empieza a ser significativo, lo que se traduce en la presencia de tiempo muerto de detección en el sistema. Por esta razón, dadas las altas tasas de contaje requeridas para la medida de la reactividad en un único beam-trip, se prefiere utilizar el modo corriente, en el que se promedia temporalmente la corriente eléctrica producida por un gran número de eventos individuales en el detector.

La realización de medidas de la reactividad de un reactor subcrítico a partir de un único beam-trip con suficiente precisión requiere tasas de detección muy elevadas (102-103 detecciones por microsegundo) . Por tanto, los efectos de tiempo muerto no son corregibles y se hace imposible utilizar cadenas electrónicas en modo pulso. Por tanto, es necesario utilizar detectores en modo corriente, sin embargo, los detectores en modo corriente utilizados para la detección de neutrones en reactores nucleares presentan una serie de inconvenientes a la hora de convertir la corriente en voltaje. El problema estriba en que la medida del flujo neutrónico en un beam trip debe tener un ancho de banda de hasta 1-5 MHz (aproximadamente el tiempo de vida entre generaciones) . No obstante, en los sistemas actuales, la señal proveniente del ánodo es la misma que transporta la alta tensión y los conversores de corriente a voltaje que trabajan en alta tensión tienen un rango de frecuencias de unas decenas de kHz en el mejor de los casos.

Objeto de la invención

La invención tiene por objeto resolver los problemas técnicos descritos anteriormente. Para ello, propone un sistema para monitorizar la reactividad en un ADS y que resuelve el problema de la conversión de corriente en voltaje de forma que se alcance el ancho de banda requerido en las medidas de beam trip. El sistema está provisto de:

1. Uno o varios detectores rápidos de neutrones (tiempo de respuesta menor que el tiempo de vida medio entre generaciones) y poco sensibles a radiación gamma (esto es, que la energía depositada por la radiación gamma en los detectores sea al menos un factor 10 menor que la depositada por los neutrones) . El grupo principal de detectores que cumplen estas condiciones son los detectores de fisión.

2. Un inversor de alta tensión que permita que el ánodo (hilo del detector) trabaje a 0 V.

3. El inversor puede estar situado bien en...

1. Sistema para monitorizar la reactividad en un reactor nuclear subcrítico en una única interrupción de haz caracterizado porque comprende: a) al menos un detector rápido de neutrones con ánodo y cátodo 5 b) una fuente de alta tensión para alimentar el detector, c) un inversor de alta tensión con medios para conectar el ánodo del detector a un amplificador de corriente y el cátodo del detector a la alta tensión proveniente de la fuente de alta tensión, d) un amplificador de corriente con ancho de banda de al menos 10 MHz, e) un digitalizador rápido de al menos 12 bits de resolución vertical y 10 MS/s y procesamiento en tiempo real de la señal.

2. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado porque el digitalizador esté provisto de medios para realizar un procesado FPGA en tiempo real.

3. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el detector es un detector de fisión.

ES 2 415 031 A1

ES 2 415 031 A1