Propagation of statistical uncertainty in mesh-based r2s calculations

Resumen

Durante el funcionamiento de las instalaciones experimentales de fusión, se generan intensos campos de neutrones que interactúan con los distintos componentes de la instalación. Esto provoca que dichos componentes se vuelvan radiactivos, y por tanto, que emitan un campo de fotones de decaimiento, incluso cuando la instalación experimental está apagada. La estimación de estos campos de fotones, así como las funciones respuesta asociadas a estos campos, como puede ser la dosis recivida en los componentes y/o trabajadores, es esencial en las fases de diseño, ingeniería y licenciamiento de estas instalaciones de fusión. Hoy en día, una de las metodologías más potentes para estimar los campos de fotones residuales en parada es Rigorous 2 Steps (R2S). Esta metodología acopla las salidas y entradas de códigos de transporte y activación para simular, paso a paso, todos los procesos físicos relevantes en el cálculo de los campos de fotones residuales. Para ello, primero se realiza una simulación del transporte de neutrones, cuyo objetivo es calcular el flujo de neutrones en cada región de la instalación. Después se simula detalladamente la activación de cada componente debida a la interacción de dichos neutrones con la materia, con lo que se consigue estimar la distribución de fotones que emite el material activado de la instalación al tiempo de interés. Finalmente, el último paso consiste en transportar dicha fuente de fotones por la instalación, calculando el campo de fotones residual y las funciones respuestas deseadas asociadas a este. Los sistemas R2S más avanzados empleados en el ámbito de la fusión están basados en códigos de transporte Monte Carlo (MC), debido a que este método de cálculo es considerado hoy en día el más preciso para simular el transporte de radiación. Este método permite estimar la incertidumbre estadística del cálculo durante el transporte de neutrones y de fotones de decaimiento. Sin embargo, el método de acople empleado en la metodología R2S no permite transportar las incertidumbres a través del esquema de cálculo. Por lo tanto, la metodología R2S basadas en códigos de transporte MC no es capaz de considerar el error estadístico, introducido durante el transporte de neutrones, en las funciones respuesta asociadas a los fotones de decaimiento. Este problema ha sido una línea de investigación activa durante los últimos años. Esto ha dado como resultado la propuesta e implementación de varios esquemas computacionales que permiten considerar esta fuente de incertidumbre en los cálculos de R2S. Sin embargo, estos esquemas asumen simplificaciones durante el paso de activación, las cuales limitan su aplicabilidad. Por ello, el objetivo de esta tesis es proponer e implementar un esquema computacional en el código R2S-UNED, el cual permita considerar esta fuente de incertidumbre sin introducir nuevas asunciones que aquellas heredadas directamente de la metodología R2S. Este esquema debe ser aplicable a cualquier caso donde se pueda requerir el uso de R2S-UNED. Esta tesis describe dicho esquema, así como todas las nuevas capacidades de R2S-UNED implementadas para poder aplicarlo. Estas capacidades son enumeradas a continuación: i. Cálculo de la matriz de covarianza del flujo neutrónico (incertidumbre estadística del flujo neutrónico) ii. Contribución de cada radioisótopo a la dosis o función respuesta deseada iii. Contribución de cada camino que genera los radioisótopos de interés durante la activación del material iv. Estimación de la derivada de la concentración de isótopos respecto del ratio de reacción v. Estimación de la incertidumbre estadística, debida al flujo neutrónico, en las diferentes cantidades calculadas durante un cálculo de R2S (ratios de reacción, concentración isotópica, fuente de decaimiento y dosis o función respuesta deseada). Cada una de estas capacidades fue implementada dentro del esquema de R2S-UNED y verificada durante esta tesis. Entre todas estas capacidades, la capacidad de estimar la incertidumbre estadística del flujo neutrónico destaca por su importancia en el esquema de cálculo, dado que limita la aplicabilidad del esquema al no poder estimar la matriz de covarianza del flujo neutrónico en muchos casos prácticos, debido al tamaño de dicha matriz. Esta limitación es, hoy en día, una de las mayores limitaciones para poder aplicar la metodología propuesta en esta tesis, así como otras desarrolladas durante estos años. Por ello, durante esta tesis se ha desarrollado una guía de aplicación que trata de dedicar los recursos computacionales disponibles al cálculo de la incertidumbre de las regiones más importantes que contribuyen a la dosis. Lo cual aumenta considerablemente el rango de aplicabilidad de la nueva herramienta desarrollada para el cálculo de incertidumbre estadística en cálculos de R2S, sin ser aun de aplicación general. Esta guía ha sido clave para poder aplicar esta nueva herramienta a los dos casos prácticos considerados en esta tesis: El benchmarking computacional de ITER de cálculo de dosis residual y el cálculo de air-kerma en el octante dos de JET. Ambas aplicaciones muestran la necesidad de incluir la información precisa de la matriz de correlación del flujo neutrónico para estimar la incertidumbre en la dosis, en vez de considerar está completamente correlada o anticorrelada, asunciones que estiman límites superiores e inferiores al valor de la incertidumbre estadística en la dosis sin necesidad de obtener la matriz de correlación del flujo neutrónico completa.