D. Alloni (Pavia) 26-03-2013, ROMA. Obiettivi generali del Progetto (1) 1)Sviluppare una metodologia di analisi, mediante codici Monte Carlo e deterministici,

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1 D. Alloni (Pavia) 26-03-2013, ROMA

2 Obiettivi generali del Progetto (1) 1)Sviluppare una metodologia di analisi, mediante codici Monte Carlo e deterministici, per la valutazione dei flussi neutronici, dei parametri di criticità e cinetica dei neutroni all’interno di un complesso moltiplicante sottocritico a spettro neutronico veloce. 2)Validare le metodologie di calcolo proposte mediante misure (NAA) realizzate presso SM1 a spettro neutronico termico (Caratterizzazione di SM1 in configurazione termica) 3)Validazione del codice MCB (Monte Carlo energy Burnup) mediante misure dirette per lo studio del burnup del combustibile di SM1 in configurazione termica e successivamente veloce. Tale metodologia si basa sia sul confronto degli output del codice di calcolo MCB con le soluzioni del sistema di equazioni differenziali che descrive l’evoluzione temporale della concentrazione degli attinidi e dei prodotti di fissione, che su quello dei risultati delle misure provenienti dagli irraggiamenti di targhette di Uranio e Torio naturali in SM1. 4)Estendere la metodologia di calcolo allo studio delle possibili configurazioni veloci a potenza zero di SM1 (differenti geometrie del nocciolo). 5)Supportare, mediante le analisi di cui ai punti 1., 2. e 3. l’esercente del complesso moltiplicante sottocritico al fine di realizzare la conversione dell’impianto esistente da spettro neutronico termico a spettro neutronico veloce e la predisposizione della documentazione tecnica di riferimento necessaria per supportare la richiesta di modifica 2

3 5) Utilizzare le metodologie di calcolo validate ai punti 1. e 2. e 3. per lo studio di diverse configurazioni alternative veloci (ad es. composizione del combustibile e sorgente iniettante il nocciolo) e validazione mediante misure. 6)Studiare con metodi analitici, simulazioni, la conversione di materiale fertile in fissile (ciclo U-Pu e Th-U) all’interno di complessi moltiplicanti sottocritici a spettro neutronico veloce. 7)Studiare con metodi analitici, simulazioni e misure dirette la trasmutazione degli attinidi minori (TRU) e dei prodotti di fissione (FP) a lunga emivita all’interno di complessi moltiplicanti sottocritici a spettro neutronico veloce 8)Studiare con metodi analitici e l’utilizzo di combustibile a torio o a ossidi misti di torio-uranio all’interno di complessi moltiplicanti sottocritici a spettro neutronico veloce 3 Obiettivi generali del Progetto (2)

4 4 Configurazione termica di SM1 Water 206 fuel elements 1030 ingots, 5 for each fuel element 2000 kg of U nat Source: Pu-Be, Source intensity = 7 × 10 6 neutrons/s Pu-Be source spectrum

5 Attività Effettuate (1) a.E stata completata la caratterizzazione dell’impianto SM1 in configurazione termica con MCNP (keff, spettro neutronico, potenza) e le simulazioni sono state validate mediante misure NAA di targhette sottili in 2 canali di irraggiamento disponibili e elaborazione dati con SANDII b.E stata completata l’analisi mediante codice MCNP relativa alla conversione a spettro neutronico veloce di SM1 utilizzando un diffusore a piombo solido in sostituzione dell’acqua ed è stato confrontato con la configurazione termica attuale (in ADS Technical Design Report INFN – Section 8: A zero power experiment, D. Alloni et al, 2011). d.E’ stata svolta un’analisi, mediante simulazioni con MCNP, relativa alla conversione a spettro neutronico veloce di SM1 utilizzando un diffusore a piombo solido costituito da una griglia a mattoncini. La nuova configurazione prevede 136 elementi di combustibile. e.E’ stato predisposta un’area del laboratorio di radiochimica presso il LENA (pesa, targhette, rivelatore HPGE) dedicato alle attività di NAA in SM1 (Fondi 2012 -dopo Luglio 2012) 5

6 6 Thermal Config (water) N° of elements = 136 k = 0.222 Lead diffuser (grid) P=3.21 10 -06 W Intensità flusso neutroni A’= 1.102 × 10 4 n cm 2 sec -1 Intensità flusso neutroni B’= 3.471 × 10 3 n/cm 2 sec -1 SM1 – termica vs. veloce Fast 2 (lead/same geo) Fast 1 (lead/grid geo) N° of elemets = 206 k eff = 0.885 Moderator: water P= 9.52 10 -4 W

7 7 Le attività svolte sino ad oggi sono raccolte nell’articolo (accepted for pubblication, PROGRESS IN NUCLEAR ENERGY, March 2013)

8 Attività in corso e future* (1) *non vincolate alla conversione veloce 8 a.Irraggiamento di targhette sottili per la determinazione della componente veloce dello spettro di SM1 ed elaborazione misure MCNP/SAND II b.Calcolo del burn-up utilizzando sia il codice di simulazione MCB, sia mediante formule analitiche, dopo aver calcolato le sezioni d’urto efficaci di fissione e di assorbimento ai fini di mappare il combustibile di SM1. c.Sono stati calcolate le attività relative ai FP e TRU mediante codice MCNP e MCB per un funzionamento del complesso di 36 anni. d.Validazione del codice MCB mediante confronto con calcoli analitici e misure sperimentali (irraggiamento di targhette du U-nat e Th-nat in SM1 e analisi degli spettri gamma mediante HPGE) e.Simulazioni per differenti configurazioni geometriche e di composizione del combustibile. f.Studio, mediante codici di calcolo Monte Carlo (MCNP), per la determinazione dei parametri di criticità e della distribuzione dei flussi neutronici nel complesso moltiplicante sottocritico SM1 dell’Università di Pavia a spettro neutronico veloce con combustibile al torio

9 a.Simulazioni con diverse sorgenti iniettanti (es. neutroni da D-T o D-D) e diffusore al piombo. b.Calcolo con metodi analitici, simulazioni la trasmutazione degli attinidi minori (TRU) e dei prodotti di fissione (FP) a lunga emivita all’interno di SM1 utilizzando lo spettro veloce ottenuto dalle simulazioni MCNP c.Studio dell’utilizzo di combustibile a torio o a ossidi misti di torio-uranio all’interno di complessi moltiplicanti sottocritici a spettro neutronico veloce d.Applicazione delle metodologie di calcolo studiate e validate nei punti precedenti per la caratterizzazione ed l’ottimizzazione di noccioli di complessi moltiplicanti sottocritici progettati al fine della trasmutazione delle scorie nucleari e della conversione del materiale fertile in fissile 6)Spettrometria gamma ad alta risoluzione di elementi di combustibile di SM1 per la determinazione del quantitativo di 137 Cs al fine di valutare sperimentalmente il burn-up di un elemento di combustibile del secondo anello del complesso SM1, da confrontare con le simulazioni descritte in precedenza (VEDI SLIDE SUCCESSIVA) 9 Attività in corso e future* (2) *non vincolate alla conversione veloce

10 Facility spettrometria elementi di combustibile di SM1 10 Fuel element (anello 2) HPGE Portatile

11 Attività in STAND BY* *vincolate alla conversione veloce c.Realizzazione del sistema di inserimento-estrazione della sorgente iniettante Pu-Be per misure di cinetica dei neutroni (già progettato) d.Realizzazione della modifica d’impianto del complesso moltiplicante sottocritico SM1 dell’Università di Pavia e.Validazione della metodologia di calcolo sviluppate su SM1 in configurazione termica, mediante misure realizzate sul complesso moltiplicante sottocritico SM1 convertito a spettro neutronico veloce; f.Sostituzione della sorgente iniettante di Pu-Be con un generatore di neutroni DT o con un generatore di neutroni DD; 11

12 NOTE 12  Da alcuni mesi, Ottobre 2012, sono sorti problemi relativi alla possibilità di convertire l'impianto SM1 a spettro veloce (modifiche alla Licenza di Esercizio dell’impianto)  Da Settembre il nuovo Responsabile di impianto è il Prof. Massimo Oddone del Dip. di Chimica (Area di Radiochimica), al posto di Andrea Borio di Tigliole.  Risultano pertanto in STAND BY, tutte le attività sperimentali programmate relative alla configurazione a piombo di SM1, mentre verranno svolte con regolarità e scadenze prestabilite, le attività di simulazione in essere.  Allo scopo di verificare ufficialmente e a breve termine la fattibilità delle modifiche di impianto, INFN (Marco Ripani) invierà una lettera al Prof. Massimo Oddone sottolineando l'importanza di tale progetto e riportando gli investimenti effettuati nei due precedenti anni (2011-2012) da INFN ai fini della predisposizione alla conversione di SM1 a spettro veloce e allo svolgimento delle attività programmate.

13 Tasks 2012 (update and summary) 13

14 Tasks 2013 14

15 Consuntivo 2012 (da Luglio 2012) 15 Dettaglio acquisti 2012: DescrizioneStanziato(€)Speso(€) IMPIANTI ATTREZZATURE MACCHINARI 20.000,00 19.793,18 TRATTAMENTO MISSIONI ESTERE 3.000,000 TRATTAMENTO MISSIONI NAZIONALI 2.000,001115,73 MATERIALE DI CONSUMO ATTIVITA' LABORATORIO 9.000,00 8.764,93 TOTALE34.000,0029.673,84 Descrizione Importo (€) Elettronica di conteggio DSPEC 12.293,60 Pesa Analitica 7.499,58 Targette multimateriale8.764,94 TOTALE28.557,12

16 Partecipanti (2013)  Sezione INFN di Pavia Daniele ALLONI LENA/DFNT Fabio PANZADFNT Silva BORTOLUSSIDFNT Marcella CAGNAZZOLENA Giovanni MAGROTTILENA Michele PRATALENA  Sezione INFN di Milano Bicocca Maurizio Giorgio BONESINIINFN MIB Antonio CAMMIPOLIMI Davide CHIESAUNIMIB Roberto PONCIROLIPOLIMI Manuele AUFIEROPOLIMI Ezio PREVITALI INFN MIB Monica SISTIUNIMIB  Sezione INFN di Genova Giovanni RICCO INFN GE Marco RIPANI INFN GE Carlo Maria VIBERTIINFN GE Mikhail OSIPENKOINFN GE 16

17 Inventariabile:  sistema di iniezione ed estrazione della sorgente 15 k€  Rivelatore neutroni 8k € TOT. 22 k€ Richieste* Richieste* 2013 17 *vincolate alla conversione a piombo di SM1