Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7220

Accelerator Driven Systems Subcritical Level Monitoring: Evaluation of Spatial Correction Factors for Source-Jerk and Area Methods

F. Gabrielli, M. Carta, A. D’Angelo

Abstract
One of the operative problems in the Accelerator Driven Systems (ADS) is developing a strategy for inferring the subcritical reactivity level of these systems. In fact because of the presence of the external source, which is necessary because of the very low reactivity level (k_eff~0.95-0.97), ADS systems show neutron fluxes profiles, especially near the external source, very different respect to the fundamental mode which characterizes the neutron population in the critical systems. In order to study the neutronics of ADS, the zero-power MUSE experimental program was launched by CEA in 1995 at the CEA-Cadarache MASURCA facility. One of the main target of the program was investigating several experimental methods (such as the source jerk, pulsed neutron source and noise techniques) to infer the reactivity levels in different subcritical configurations without the need of a reference measurement in a critical configuration. In particular, MUSE-4 experimental phase aimed to analyze the system response to neutron pulses provided by the GENEPI accelerator, in order to investigate the possibility to infer the subcritical level of a source driven system by using the Pulsed Neutron Source (PNS) methods based on the point kinetics assumption. Results indicated that PNS area method is a very reliable technique at large subcriticalities for what concerns the definition of the reactivity spatial dependence. Even if it does not allow an on-line subcritical level monitoring, PNS area method can represent a valid calibration technique with regards to some selected positions in the system to be analysed by alternative methods, like Source Jerk/Prompt Jump (which can work also on-line). Depending on the subcriticality level and on the presence of spatial effects, the reactivity level of a system may not be inferred by the detectors responses on the basis of a pure point kinetics approach and then corrective spatial factors have to be applied to the experimental results in order to infer the subcriticality level of the system. Moreover, depending on the used method, these corrective factors may have different amplitudes and may give information about the effectiveness of the used point kinetics based method. In this report a MUSE-4 experimental configuration at a meaning full subcritical level with a D-T external source located at the reactor center was analyzed by means of the ERANOS deterministic codes system, by assessing two static calculation procedures reproducing the application of the ‘explicit’ Source-Jerk method and PNS area method in order to evaluate the corrective spatial factors to be applied to the experimental data. Results coming from the application of the two calculation procedures were firstly compared and then a comparison with the experimental results was performed. For what concerns the source jerk method, it has to be underlined that an ‘explicit’ application of the source jerk method, by means of the GENEPI accelerator, cannot be allowed in the MUSE-4 experiment because of the pulsed regime of the external source together with the characteristics of the GENEPI accelerator (frequency, pulse duration).

Kontrolle der Unterkritikaliät eines Beschleuniger-getriebenen Systems: Bestimmung der örtlichen Korrekturfaktoren der ‚Source-Jerk’- und - ‚Area’ - Methoden

Zusammenfassung
Die laufende Bestimmung der Unterkritikalität ist eines der Probleme beim Betrieb eines Beschleuniger getriebenen Systems. Wegen der bei einer Unterkritikalität (k_eff~0.95-0.97) benötigten externen Quelle weichen die Neutronenflußprofile ganz wesentlich vom sog. Fundamentalmode eines kritischen Systems ab. Um das neutronische Verhalten eines ADS zu untersuchen, wurde von CEA im Jahre 1995 in der CEA-Cadarache-Anlage MASURCA das Nullleistungsexperiment MUSE durchgeführt. Eines der Ziele des Programms war der Test verschiedener experimenteller Methoden (Source Jerk, Pulsed Neutron Source, Rauschmethoden), die Unterkritikalität sicher zu bestimmen ohne eine begleitende Referenzmessung in einem kritischen System. Besonders das MUSE-4 Experiment zielte auf die Bestimmung der Systemantwort mit Hilfe der Pulsed Neutron Source (PNS) Methode basierend auf Punkkinetik. Die Neutronenpulse wurden dabei mit Hilfe des GENEPI Beschleunigers ausgelöst. Die Ergebnisse zeigen, dass die PNS eine sehr zuverlässige Methode in Hinblick auf die örtliche Reaktivitätsverteilung bei starker Unterkritikalität darstellt. Sie erlaubt zwar keine on-line Überwachung, stellt aber eine hervorragende Kalibrierungstechnik an bestimmten Positionen im Systems für die Source Jerk/Prompt Jump Methoden dar, die auch on-line genutzt werden können. Abhängig von der Unterkritikalität und dem Vorhandensein örtlicher Effekte kann das Unterkritikalitätsniveau nicht direkt aus den Detektorantworten auf der Basis reiner Punktkinetik gewonnen werden. Örtliche Korrekturfaktoren müssen berechnet werden, um die experimentellen Ergebnisse nachzuvollziehen. Die Korrekturfaktoren haben dabei verschiedene Amplituden und geben Auskunft über die Effektivität der verwendeten Punktkinetikmethode.

In der Arbeit wird mit Hilfe des Code Systems ERANOS eines der MUSE-4 Experimente mit typischem Unterkritikalitätsniveau mit einer zentralen externen D-T Quelle analysiert. Zwei Prozeduren, basierend auf statischen Neutronenflussberechnungen, werden getestet in einer Simulation der expliziten Source-Jerk und PNS Methoden, um die örtlichen Korrekturfaktoren zur Interpretation des Experimentes zu evaluieren. Die Ergebnisse der beiden Vorgehensweisen wurden zuerst untereinander und dann mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Die Anwendung des Source-Jerk Methode ist allerdings nicht kompatibel mit den Randbedingungen des MUSE-4 Experimentes wegen der gepulsten Betriebsweise des GENEPI Beschleunigers und dessen charakteristischer Eigenschaften (Frequenz and Pulsdauer).

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