Estimación del espectro de neutrones producidos en un blanco de fusión nuclear por confinamiento inercial

Ledesma Albarrán, Vicente Manuel (2021). Estimación del espectro de neutrones producidos en un blanco de fusión nuclear por confinamiento inercial. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Estimación del espectro de neutrones producidos en un blanco de fusión nuclear por confinamiento inercial
Author/s:
  • Ledesma Albarrán, Vicente Manuel
Contributor/s:
  • Cotelo Ferreiro, Manuel
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Date: September 2021
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

En un proceso de fusión nuclear – como es el proceso de fusión por confinamiento inercial (FCI) – se produce una reacción nuclear a modo de colisión en la que varias partículas tras interaccionar dan lugar a otro conjunto de partículas en la que, además, la reacción por ser exotérmica genera una ganancia energética asociada a la interacción. Es por ello, por lo que es una técnica de gran interés para la fusión nuclear orientada a la generación de energía eléctrica. Durante este proyecto se han llevado a cabo los desarrollos y estudios necesarios para estimar del espectro de neutrones producidos en un blanco de fusión por confinamiento inercial. En particular, se estudia el caso de la reacción deuterio – tritio, que produce una partícula alfa – que no es más que un núcleo de helio – y un neutrón. Siendo el calor desprendido resultado del defecto másico que se produce en la reacción nuclear. Cómo en toda colisión o reacción, se deben cumplir las leyes de conservación. Concretamente, las leyes de conservación que deben cumplirse son la de conservación de la energía y la de la cantidad de movimiento Con estas ecuaciones – teniendo como datos iniciales los espectros energéticos de deuterio y tritio y las distribuciones angulares de los dos ángulos que particularizan la colisión – se calcula la energía de nacimiento de los neutrones en la fusión por confinamiento inercial y las partículas alfa, estas últimas de menor interés. Para resolverla colisión se han utilizado simulaciones de Montecarlo, generando escenarios aleatorios que contemplen todo un espectro de soluciones posibles. Una vez resuelta la colisión se tiene como resultado el espectro energético de los neutrones de nacimiento, que definen las posibles energías de los neutrones en el momento posterior a la colisión o reacción nuclear. Es decir, el espectro de neutrones que define el instante inicial del proceso que concierne a este proyecto. Está colisión se resuelve en un rango de energías que simulan diferentes condiciones iniciales. El estudio se lleva a cabo en el rango de los 5 a los 100 keV, con especial atención a la zona de energías cercana a los 15 keV, debido a su elevada sección eficaz sin comprometer su éxito con grandes pérdidas por Bremsstrahlung. Esto aumenta las probabilidades de éxito de la fusión para la reacción deuterio – tritio. Una vez se tiene diseñado el instante inicial, se busca estudiar el cómo evolucionan esos neutrones. Tras ese instante inicial los neutrones empiezan a interaccionar con partículas presentes en el blanco de fusión por confinamiento inercial como deuterio, tritio, partículas α o incluso otros neutrones. Esas interacciones llevan a unas pérdidas energéticas que se traducen en la deposición de energía que inicialmente estaba en el neutrón y que se queda en el blanco de fusión por confinamiento inercial. Se vio que las interacciones de mayor importancia eran las de dispersión elástica, inelástica y la captura neutrónica, siendo la elástica la más común de las tres mencionadas. Estas interacciones se simulan mediante Geant4, que es un código de programación que simula las interacciones neutrón – materia utilizando la metodología de Montecarlo. Es un software de libre distribución y desarrollado por el Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN). Para llevar a cabo las simulaciones es necesario diseñar un blanco de fusión por confinamiento inercial. Se diseña un blanco por capas, que consta de 15 capas y, para cada una de ellas, se realizan cálculos de determinadas magnitudes que puedan definir a cada una de ellas de manera inequívoca. Todas las magnitudes que definen cada capa son totalmente necesarias para la concretar la simulación, siendo input de la misma. Las magnitudes calculadas y que definen cada capa son la densidad, la temperatura, el ancho de cada capa, la energía de los neutrones en esa capa y el weight. El weight no representa otra cosa que la probabilidad de nacimiento de un neutrón en una capa concreta. Adicionalmente, también es necesario tener datos acerca de las secciones eficaces, cosa contemplada internamente en Geant4. El código de Geant4 genera unos archivos de salida que recogen datos sobre las distribuciones energéticas de entrada y salida, inicial y final. Una vez obtenidos los resultados, se utilizan para hacer comparaciones entre los estados final e inicial. Haciendo uso de las comparaciones se pueden sacar determinadas conclusiones sobre el espectro energético, su evolución a lo largo del blanco y del proceso de fusión. Estas comparaciones llevan a unas conclusiones sobre el scattering de los neutrones. Como era de esperar, se observó down – scattering mayoritariamente, aunque también con más relevancia de lo esperado se observó una zona de up – scattering que principalmente se explica mediante la participación de deuterios supratérmicos. Además, el análisis mostró que sucede un fenómeno de multiplicación neutrónica por el que se pueden encontrar más neutrones en el estado final que en el estado inicial.

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Item ID: 68696
DC Identifier: https://oa.upm.es/68696/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:68696
Deposited by: Biblioteca ETSI Industriales
Deposited on: 03 Nov 2021 05:10
Last Modified: 26 Feb 2022 17:27
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