Theoretical and Experimental Approach Towards Generation of Thermal Scattering Law for Light Water
Obtention Théorique et Expérimentale des Lois de Diffusion Thermique de l’Eau Légère
Résumé
Safety analysis and design of nuclear systems rely on accurate computer simulation tools. These simulation tools take in basic nuclear data as an input to estimate the safety parameters of the nuclear systems and ensure its normal operation. In particular, precise knowledge of light water neutron scattering cross section data is important as light water is the most widely used moderator in thermal nuclear reactors, such as pressurized water reactors (PWRs). Since PWRs operate at temperature around 550 K and pressure around 150 bar, proper understanding of light water thermal cross section data at high temperatures and pressures is necessary.
In the thermal neutron energy region, the cross sections are governed by the structure and dynamics of the scattering material described by thermal scattering law (TSL). The TSL data for light water at several temperatures are available in the standard thermal scattering libraries. No information about the impact of pressure on the TSL data exists in these libraries. Until recently, the standard TSL data libraries for light water have relied mostly on physics model and experimental data measured in the 60s. One observes some discrepancies in these evaluations both at room temperature and reactor operating temperature (550 K). Experimental TSL, for high temperature and pressure, are very scarce. There is thus a need for reviewing the existing TSL evaluations and consequently performing new experiments, to develop new evaluations valid for a large range of temperature and pressure conditions of light water.
The research developed during this work, deals with the measurement and evaluation of TSL data for light water at high temperatures and pressures. To generate new TSL for light water, inelastic neutron scattering measurements were carried out at two time-of-flight (TOF) spectrometers, namely the IN4c and IN6, at the Institut Laue-Langevin (ILL), Grenoble, France. A corresponding set of molecular dynamics (MD) simulations were performed to complement the experimental data using two classical interaction models for water namely, a flexible non-polarizable TIP4P/2005f and a rigid polarizable TCPE model. Frequency spectra obtained from both TOF experiment and MD simulations at different temperatures and pressures have been analyzed and new TSL evaluations for light water have been developed.
A new module named as SAB module was developed in the existing IRSN nuclear data processing code, GAIA, with capabilities to generate TSL libraries for light water at the desired temperature requested by the user. The SAB module was validated on the French plutonium temperature effect experimental program, where TSL evaluations at exact temperatures of the experiment were necessary to observe a positive temperature effect.
The performance of the newly developed TSL evaluations, i.e. S(α β)JEFF-3.3-MOD, S(α β)ILL and S(α β)TCPE were tested on a series of differential, double differential and total cross section measurements available in
the literature. For further verification and validation of the new TSL data, critical benchmarks available in the
International Handbook of Evaluated Criticality Safety Benchmark Experiments (ICSBEP Handbook), sensitive to TSL have been used. In addition, the new IRSN 16O and 235U evaluations along with 235U Prompt Fission Neutron Spectrum (PFNS) from ENDF/B-VIII.0 were tested in conjunction with the new TSL evaluations.
The outcome of this study leads to a better interpretation of the impact of temperature and pressure on TSL in PWR applications. It is suggested that a similar study for nuclear reactors operating with different moderators (for instance heavy water, graphite, etc.,) should be conducted to investigate whether a similar behavior like the one observed in light water is seen.
Les études de sûreté et la conception de nouveaux systèmes nucléaires nécessitent d’avoir recours à des outils de simulation efficaces. Ceux-ci dépendent des données nucléaires de base qui leur sont fournies, afin d’estimer au mieux les critères de sûreté des systèmes nucléaires et d’assurer leur bon fonctionnement. En particulier, une bonne connaissance des sections efficaces de l’eau légère est importante, car l’eau est le modérateur le plus employé dans les réacteurs nucléaires thermiques, comme les réacteurs à eau pressurisée (REP). Ces derniers fonctionnent à des températures et des pressions avoisinant 550 K et 150 bar, ce qui implique de connaître les sections efficaces de l’eau dans ces conditions.
Les sections efficaces neutroniques dans le domaine d’énergie thermique dépendent de la structure et de la dynamique du matériau diffusant, décrites par des lois de diffusion thermiques (thermal scattering law, TSL). Les TSL de l’eau légère sont consignées pour plusieurs températures dans des bibliothèques standard de diffusion thermique. Jusqu’à récemment, ces bibliothèques reposaient essentiellement sur des modèles physiques et
des mesures expérimentales réalisées dans les années soixante, et des écarts peuvent être constatés dans ces évaluations à température ambiante et à la température de fonctionnement d’un réacteur (550K). Non seulement, les données expérimentales pour les TSL à hautes pressions et hautes températures sont rares, mais aucune information n’est disponible quant à l’impact de la pression sur les TSL. Par conséquent, il existe un réel besoin de revoir les évaluations des TSL existantes, et ainsi de proposer de nouvelles expériences, pour obtenir des bibliothèques indépendantes des modèles physiques et valides sur une large gamme de températures et de pressions.
Ce travail de recherche porte sur la mesure et l’évaluation de la loi de diffusion thermique de l’eau légère à hautes températures et hautes pressions. Pour produire de nouvelles TSL, des mesures de la diffusion inélastique des neutrons sur l’eau ont été effectuées à l’Institut Laue-Langevin (ILL) à Grenoble, à l’aide de deux spectromètres à temps de vol (TOF), IN4c et IN6. Afin de compléter ces mesures, des simulations de dynamique moléculaire (MD) ont été réalisées en s’appuyant sur deux modèles classiques d’interaction moléculaire, le modèle non polarisable TIP4P/2005f (utilisé dans le code GROMACS) et le modèle polarisable TCPE (utilisé dans le code PolarisMD). Les spectres de fréquence à différentes pressions et températures obtenus grâce aux mesures de temps de vol et aux simulations MD ont été exploités pour développer de nouvelles TSL pour l’eau légère.
Un nouveau module nommé SAB a été développé dans l’actuel code de traitement des données nucléaires de l’IRSN, GAIA, capable de produire des bibliothèques de diffusion thermique pour l’eau légère aux températures requises par l’utilisateur. Le module SAB a été validé sur le programme expérimental français d’étude de l’effet de la température sur le plutonium : afin d’observer une évolution positive de la réactivité avec la température,
des bibliothèques de diffusion thermique aux températures exactes ont été nécessaires.
Les performances de ces nouvelles bibliothèques, i.e. S(α β)JEFF-3.3-MOD, S(α β)ILL and S(α β)TCPE ont été testées sur une série de mesures de sections efficaces différentielles, double-différentielles et totales disponibles dans la littérature. Des benchmarks critiques de l’International Handbook of Evaluated Criticality Safety Benchmark Experiments (ICSBEP Handbook) ont également été utilisés. Enfin, les évaluations du 16O et du 235U de l’IRSN, ainsi que l’évaluation du 235U PFNS de la bibliothèque ENDF/B-VIII.0 ont été utilisées conjuguées aux nouvelles TSL produites.
Les résultats de ces études permettent une meilleure compréhension de l’impact de la température et de la pression sur les TSL dans les applications liées à l’exploitation des REP. Il est suggéré qu’un travail comparable soit conduit pour les réacteurs nucléaires utilisant d’autres modérateurs que l’eau légère (eau lourde, graphite, etc.,), afin de savoir si des comportements similaires sont observés.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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