Diseño y análisis multidisciplinar de la fuente de neutrones de media intensidad propuesta para ESS-Bilbao

Terrón Fraile, Santiago (2018). Diseño y análisis multidisciplinar de la fuente de neutrones de media intensidad propuesta para ESS-Bilbao. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.52679.

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Title: Diseño y análisis multidisciplinar de la fuente de neutrones de media intensidad propuesta para ESS-Bilbao
Author/s:
  • Terrón Fraile, Santiago
Contributor/s:
  • Sordo Balbín, Fernando
  • Abánades Velasco, Alberto
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2018
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Energética
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Desde su descubrimiento en 1930, los neutrones se han constituido como una herramienta fundamental en la ciencia y la tecnología para la exploración de la materia. Desafortunadamente, su producción para experimentación requiere de procesos nucleares, y el desarrollo de fuentes de neutrones presenta relevantes desafíos de ingeniería. En la actualidad, la Unión Europea construye la que está llamada a ser la fuente de neutrones guiada por acelerador más potente del mundo, la European Spallation Source (ESS). En 2013, la participación española al proyecto, aglutinada en el consorcio ESSBilbao, planteó la posibilidad de canalizar la contribución en especie a ESS a través de la construcción de una fuente de neutrones compacta de media intensidad. Esta fuente, que se ubicaría en el campus de Vizcaya de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), serviría como estación de desarrollo y banco de pruebas de los componentes de ESS, así como instalación con interés científico propio para la comunidad de técnicas neutrónicas. El presente trabajo tiene por objeto el diseño de los componentes principales de la propuesta de fuente de neutrones para ESS-Bilbao, evaluando su viabilidad técnica y rango de aplicación. Para llevar esto a cabo, el grueso del trabajo se concentra en el diseño de un blanco de producción de neutrones. En una fuente de neutrones guiada por acelerador, este componente recibe el impacto de partículas aceleradas, induciéndose en él las reacciones de producción de neutrones. En su diseño, la eficiencia de la producción neutrónica es la característica clave a optimizar. No obstante, la intensa deposición energética originada por el impacto del haz de partículas, conlleva requisitos en términos de refrigerabilidad, tensiones termomecánicas, fatiga y da o por irradiación, que el diseño del blanco debe satisfacer. Una vez se ha definido el blanco, y por tanto la producción neutrónica de la fuente, se deben especificar y optimizar los componentes relevantes para hacer los neutrones útiles para experimentación. Hecho esto, se concluye el estudio con una evaluación preliminar del potencial rango de aplicación de la fuente. Este proceso de diseño y análisis se ha dividido en las siguientes fases: El Capítulo 1 introduce brevemente las técnicas de experimentación con neutrones, junto con los diferentes procesos nucleares que pueden dar lugar a su producción. Se desglosan con detalle los elementos de una fuente guiada por acelerador, y se hace un breve repaso del estado del arte de estos dispositivos. Por último, se describe el contexto histórico del proyecto ESS, y la motivación e interés de la propuesta de fuente de ESSBilbao. En el Capítulo 2, se deciden las principales opciones de diseño para la definición del blanco de producción de neutrones. El acelerador de protones propuesto para la instalación, acelera las partículas hasta los 50 MeV en pulsos de 1,5 ms, con una corriente media de 2,25 mA y una potencia total de 112,5 kW. La fuente propuesta será, por tanto, una fuente de media intensidad y pulso largo. Partiendo de este acelerador, se selecciona el material del blanco en base a la optimización de la producción neutrónica. A continuación, se definen los parámetros básicos del sistema de refrigeración necesario, y se estudia el efecto en términos de tensión y temperatura del impacto de las partículas, evaluando la influencia del espesor del blanco y de la frecuencia de impacto del haz en estas magnitudes. Por último, se analizan los aspectos relacionados con la vida útil en operación del blanco. Como resultado del estudio realizado, se concluye que la solución base de diseño de la fuente propuesta para ESS-Bilbao, es un blanco rotatorio de berilio refrigerado por agua en régimen forzado monofásico, en el que los neutrones se producen mediante la reacción de extracción (o stripping). Los análisis de optimización termomecánica efectuados definen un blanco formado por 20 placas de berilio de 9 mm de espesor, sobre las que impacta el haz de protones con una frecuencia de 1 Hz en cada una. Con estos parámetros de diseño, se configura una fuente con una intensidad de 8,0 • 1014 neutrones por segundo, alcanzándose valores aceptables de temperatura y tensión en el berilio. El estudio de las consecuencias de la irradiación estima la vida útil de las placas en un mínimo de 4 a os, de acuerdo a los cálculos más conservadores. En el Capítulo 3, se diseña una estructura que materializa el concepto de blanco rotatorio previamente definido. Los cálculos termomecánicos y termohidráulicos llevados a cabo definen un diseño capaz de albergar las placas de berilio, proporcionarles la refrigeración necesaria mediante canales internos; y soportar tanto las cargas de operación normal, como aquellas derivadas de las secuencias accidentales previsibles. El diseño obtenido es el resultado de un proceso iterativo de análisis y mejora, cuyo histórico se recoge en el Apéndice A. En el Capítulo 4, se deciden los principales parámetros de diseño del moderador y el reflector de la instalación, estableciendo una configuración de referencia para el conjunto blanco-moderador-reflector, definitorio de comportamiento neutrónico de la fuente. El proceso de diseño se ha orientado a optimizar la producción de neutrones fríos, buscando aumentar la capacidad de la fuente para la aplicación de técnicas experimentales basadas en dispersión de neutrones. La configuración de referencia resultante cuenta con un moderador de metano sólido en configuración “slab”, rodeado de un reflector de berilio y del que parten tres líneas experimentales. Con estas decisiones de diseño, la configuración de referencia propuesta para la fuente de ESS-Bilbao produciría un brillo de neutrones de 5 meV de 3,6 • 1010 n/cm2 • sr • s, y de 1,3 • 1011 n/cm2 • sr • s para neutrones de energía inferior a los 0,4 eV. Sobre esta configuración de referencia, diversas configuraciones alternativas y avanzadas se han analizado, como la inclusión de un segundo moderador, o de filtros de berilio. También se ha evaluado la capacidad de la fuente para producir neutrones térmicos. Los análisis muestran que empleando un moderador de agua ligera, la producción de neutrones térmicos alcanzaría los 1,4 • 1011 n/cm2 • sr • s. Estos valores de brillo neutrónico son, grosso modo, un orden de magnitud inferiores a los de las grandes fuentes; instalaciones éstas con aceleradores en el rango del megavatio de potencia, basadas en reacciones de espalación. No obstante, dichas fuentes cuentan con una producción neutrónica aproximadamente dos órdenes de magnitud superior a la propuesta para ESS-Bilbao, por lo que este diseño presenta una alta eficiencia. Esta eficiencia es especialmente patente cuando se consideran la complejidad y el coste de las estructuras aceleradoras necesarias en cada caso. La evaluación preliminar de las potenciales aplicaciones de la fuente muestra que, con los flujos neutrónicos generados, ésta podría dar servicio a técnicas de experimentales basadas en activación, transferencia y a gran parte de las técnicas basadas en dispersión de neutrones; además de a otras actividades como irradiación de componentes, calibración de detectores, prueba de moderadores, etc. En el Capítulo 5, a modo de enlace con futuros trabajos, se referencian dos proyectos europeos que en la actualidad buscan construir sendas fuentes de características similares a la aquí propuesta, y se describe un prototipo representativo del diseño desarrollado en este trabajo, fabricado para validar los aspectos termohidráulicos del blanco. Como conclusiones, recogidas en el Capítulo 6, cabe destacar que este diseño define por primera vez una fuente de media intensidad y alta eficiencia basada en la reacción de extracción, que con costes mucho menores que las grandes instalaciones basadas en la reacción de espalación, o los reactores experimentales de fisión, habilita técnicas neutrónicas normalmente sólo disponibles en estos. Estas características han hecho que, en los últimos tiempos, el interés por este tipo de fuentes haya crecido, de tal manera que se plantean como candidatas a constituir una nueva generación de fuentes de neutrones. Esta generación está llamada a sustituir a los reactores experimentales próximos a su fin de vida, y a crear una red de instalaciones complementaria a las grandes fuentes de espalación, que expanda el acceso a las técnicas de experimentación neutrónica. ----------ABSTRACT---------- Since its discovery in 1930, neutrons have become a fundamental tool in science and technology for the exploration of matter. Unfortunately, its production for experimental purposes requires nuclear processes, and the development of neutron sources presents signiĄcant engineering challenges. Nowadays, the European Union is building what is set to become the world´s most powerful accelerator-driven neutron source, the European Spallation Source (ESS). In 2013, Spain´s participation in the project, brought together in the ESS-Bilbao consortium, raised the possibility of channelling the in-kind contribution to ESS through the construction of a medium intensity compact neutron source. This source, which would be located in the Vizcaya campus of the University of the Basque Country (UPV/EHU), would serve as a development station and test bench for ESS components, as well as an installation with its own scientiĄc interest for the neutron techniques community. This thesis aims to design the main components of the neutron source proposed for ESS-Bilbao, evaluating its technical feasibility and range of application. To do this, the bulk of the work focuses on the design of a neutron production target. In an accelerator-driven neutron source, this component is impacted by accelerated particles, inducing neutron production reactions. In its design, neutron production eiciency is the key feature to optimize. However, the intense energy deposition caused by the impact of the particle beam leads to requirements in terms of refrigerability, thermomechanical stresses, fatigue and irradiation damage, which the target design must meet. Once the target has been deĄned, and therefore the neutron output of the source, the relevant components to make the neutrons useful for rearch activities must be specified and optimized. After this, the study concludes with a preliminary assessment of the potential range of application of the source. This design and analysis process has been divided into the following phases: Chapter 1 briefly introduces the neutronic experimental techniques, together with the diferent nuclear processes that can lead to neutron production. The elements of an accelerator-driven source are broken down in detail, and a brief review of the state of the art of these devices is presented. Finally, this chapter describes the historical context of the ESS project, and the motivation and interest of the ESS-Bilbao source proposal. The main design options for the deĄnition of the neutron production target are decided in Chapter 2. The proton accelerator proposed for the ESS-Bilbao facility accelerates the particles up to 50 MeV in 1,5 ms long pulses, with an average current of 2,25 mA and a total power of 112,5 kW. The proposed source will therefore be a medium intensity, long pulse source. With this accelerator as starting point, the target material is selected based on the optimization of neutron production. The basic parameters of the required cooling system are then deĄned, and the efect in terms of stress and temperature of the impact of the particles is studied, evaluating the influence of the thickness of the target and the frequency of beam impact on these magnitudes. Finally, the aspects related to the operational lifetime of the target are analysed. As a result of the study carried out, it was concluded that the base design solution of the source proposed for ESS-Bilbao is a rotating beryllium target cooled by water in a monophasic forced regime, in which the neutrons are produced by means of stripping reactions. The thermomechanical optimization analyses performed deĄne a target made of 20 beryllium plates of 9 mm thickness, on which the proton beam impacts with a frequency of 1 Hz each. With these design parameters, a source with an intensity of 8,0-1014 neutrons per second is conĄgured, achieving acceptable beryllium temperature and stress values. The study of the consequences of the proton irradiation estimates the lifetime of the plates in a minimum of 4 years, according to the most conservative analyses. In Chapter 3, a structure that embodies the concept of the previously deĄned rotating target is designed. The thermo-mechanical and thermo-hydraulic calculations carried out deĄne a design capable of housing the beryllium plates, providing them with the necessary cooling through internal channels; and able to withstand both normal operation and accidental loads. The design here presented is the result of an iterative process of analysis and improvement, the history of which is described in Appendix A. In Chapter 4, the main design parameters of the moderator and the reflector of the facility are deĄned, establishing a reference conĄguration for the target-moderator-reflector assembly, which is key in the neutronic behaviour of the source. The design process has been oriented to optimize the production of cold neutrons, seeking to increase the capacity of the source for the application of experimental techniques based on neutron scattering. The resulting reference conĄguration has a solid methane moderator in “slab” conĄguration, surrounded by a beryllium reĆector and three experimental lines. With these design choices, the proposed reference conĄguration for the ESS-Bilbao source would produce a 5 meV neutron brightness of 3,6 • 1010 n/cm2 • sr • s, and of 1,3 • 1011 n/cm2 • sr • s for neutrons below 0,4 eV. From this reference conĄguration, several alternative and advanced conĄgurations have been analyzed, such as the inclusion of a second moderator or beryllium Ąlters. The ability of the source to produce thermal neutrons has also been evaluated. Analyses show that using a light water moderator, thermal neutron production would reach 1,4 • 1011 n/cm2 • sr • s. These neutron brightness values are, approximately, an order of magnitude lower than those of large sources equiped with accelerators in the megawatt power range, based on spallation reactions. However, these sources have a neutron production approximately two orders of magnitude higher than ESS-Bilbao´s proposal, so this design presents a high eiciency. This eiciency is particularly evident when considering the complexity and cost of the accelerating structures required in each case. The preliminary evaluation of the potential applications of the source shows that, with the calculated neutron Ćuxes, the neutron source proposed for ESS-Bilbao could serve experimental techniques based on activation, neutron transfer and most of the techniques based on neutron scttaring; in addition to other activities such as component irradiation, detector calibration, moderator testing, etc. In Chapter 5, and as a link to future works, two European projects currently seeking to build neutron sources similar to the one proposed here are referred to. This chapter also describes the prototype manufactured to validate the thermohydraulic aspects of ESS-Bilbao target design. As a matter of conclusions, gathered in Chapter 6, it can be pointed out that this work deĄnes for the Ąrst time a medium intensity and high eiciency neutron source based on the stripping reaction, which enables, at much lower costs, neutronic experimental techniques normally only available in large spallation reaction-based installations or experimental Ąssion reactors. These characteristics have recently led to an increase in interest in this type of source, so that they are now considered as candidates for a new generation of neutron sources. This generation is called upon to replace the experimental reactors nearing the end of their operational lifetime and to create a network of facilities complementary to the major spallation sources, expanding the access to neutron experimentation techniques.

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Item ID: 52679
DC Identifier: http://oa.upm.es/52679/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:52679
DOI: 10.20868/UPM.thesis.52679
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 12 Nov 2018 08:18
Last Modified: 12 May 2019 22:30
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