Numerical simulation of non-steady states of the TRIGA Mark II reactor Vienna

Abstract

Seit Herbst 2006 wurden am Atominstitut Monte-Carlo Simulationen mit MCNP zur Berechnung der Neutronencharakteristik statischer Reaktorzustände durchgeführt. Der Schwerpunkt dieser Arbeiten lag auf der Entwicklung eines Modells der Reaktorgeometrie und des Inventars des TRIGA Reaktors Wien in MCNP, die Verifikation der numerischen Resultate anhand experimenteller Daten aus den ersten Kritikalitätsexperimenten, die Modellierung anhand der aktuellen Kernbeladung sowie Berechnungen zur Möglichkeit einer partiellen HEU/LEU Beladung, um Möglichkeiten des Umgangs mit Restriktionen betreffend Kernbrennstofflieferungen der aktuellen politischen Situation zu eruieren. Die aus dieser Arbeit resultierende Dissertation von R. Khan beschäftigt sich ausschliesslich mit stationären Reaktorzuständen. Die vorliegende Dissertation befaßt sich mit der Erweiterung dieses Ansatzes um die Simulation nichtstationärer Zustände des TRIGA Reaktors Wien. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf der Beschreibung und numerischen Simulation von zeitabhängigen Werten der Reaktorleistung, Neutronenflussdichte, Brennstofftemperatur und Reaktorgiften (I-135 sowie Xe-135 im speziellen) und deren experimentelle Validierung. Ausgehend von einer detaillierten Beschreibung des TRIGA Reaktors Wien (Kapitel 3) sowie der Kinetik von Kernreaktoren (Kapitel 4) und der Darstellung des der Arbeit zugrunde liegenden numerischen Modells zur Simulation nichtstationärer Zustände (Kapitel 5) sowie der Vorstellung eines Algorithmus zur automatischen Auswertung der experimenteller Gammaspektren (Kapitel 6) warden die genannten Simulationen durchgeführt (Kapitel 7) und mit eigenen experimentellen Daten verglichen (Kapitel 8). Die Grundlage des Modells basiert auf einem Algorithmus von Emendörfer und Höcker in deren Lehrbuch zur Reaktorphysik. Ausgehend von der kinetischen Reaktorgleichung wird dort ein rekursiver Algorithmus zur Berechnung der Abweichung der Reaktorleistung von beliebigen stationären Zuständen um Beiträge durch Änderungen der Reaktivität verursacht durch Veränderungen in der externen und internen Reaktivität (Rückkopplungsmechanismen durch Temperatur-, und Leistungsänderungen sowie Veränderungen in der Konzentration von Reaktorgiften) vorgestellt. Das Modell wurde spezifisch auf den TRIGA Reaktor in Wien angepasst und implementiert und konnte erfolgreich zur Vorhersage von Leistungsänderungen angewandt werden. Die Resultate wurden durch im Februar 2011 am Atominstitut durch die Kandidatin durchgeführte Experimente validiert. Durch ebenfalls im Februar 2011 durchgeführte Experimente zur Messung des zeitabhängigen Inventars von Xe-135 nach Reaktorabschaltung lieferten mehr als 1200 Gammaspektren, die mit dem in Kapitel 6 präsentierten Algorithmus, (basierend auf Arbeiten von Mariscotti et al) erfolgreich automatisiert ausgewertet und mit theoretischen Vorhersagen verglichen werden konnten.

Since fall 2006 Monte Carlo calculations are being developed at the Atominstitut of the Technical University Vienna modeling the local TRIGA MARK II reactor to calculate various parameters of the reactor at continuous operation. Main focus of the calculations has been the flux density change when replacing specific fuel elements. Simulations were done both with fresh fuel elements configuration as well as burned fuel configuration. The result of this work is the PhD thesis of R. Khan, which focuses on calculations of steady-state operations. This thesis expands this work onto numerical calculation of non steady-states of the TRIGA reactor Vienna. Main focus has been the explication and numerical calculation of time-dependent reactor power, neutron flux density, fuel temperature and reactor poisons (especially Xe-135) and validation of this calculations against experimental results. Starting with an extensive description of the TRIGA reactor Vienna (chapter 3), nuclear reactor kinetics (chapter 4) and the description of the algorithm of numerical calculation of non steady-state reactor kinetics (chapter 5) a detailed description of an algorithm for automatic analysis of multiple multiline gamma ray spectra is presented (chapter 6), numerical simulations are conducted (chapter 7) and validated against experimental data (chapter 8). The basis for the numerical model of the TRIGA reactor kinetics is the algorithm presented by Emendo-rfer and Ho-cker in their textbook on nuclear reactor physics. Starting with the kinetic reactor equation they develop an recursive algorithm for calculations of deviations from steady-state reactor power which includes both external and internal reactivities. The algorithm has been adapted for the TRIGA reactor Vienna and could successfully be used for prediction of time dependent reactor power changes. The results of this calculations have been validated against experimental results gained from experiments conducted in early 2011 in Vienna. Also in early 2011, in-core gamma ray spectrometry has been used to quantify the Xe-135 inventory after reactor shutdown. The resulting spectra have been evaluated automatically via the algorithm presented in chapter six and being compared to analytical calculations.