Fission Chambers Designer Based On Monte Carlo Techniques Working in Current Mode And Operated in Saturation Regime

Resumen

La cámara de fisión es un detector diseñado para la medida de flujos neutrónicos existentes en las instalaciones nucleares, así como la detección en las condiciones de irradiación de las mismas. Adicionalmente, permite la estimación del espectro neutrónico dentro del emplazamiento. El análisis de las señales eléctricas producidas por la cámara de fisión posibilita el cálculo de la potencia nuclear existente, la distribución de energía en la instalación, el nivel de daños en los materiales estructurales o la eficiencia de las protecciones radiológicas, en su caso. En el caso concreto de una instalación de fisión nuclear, además, provee parámetros críticos como son: El nivel de quemado del combustible, el grado de envenenamiento del combustible debido a los productos de fisión, así como la evolución en la transmutación de radioisótopos. El detector consiste en dos electrodos dispuestos concéntricamente, uno de los cuales se encuentra recubierto de un material fisionable. El espacio existente entre ambos se rellena con un gas inerte. Cuando un neutrón interacciona con el mencionado material fisionable produce una fisión, generando un par de productos de fisión; los cuales, debido a la alta energía con la que emergen, son emitidos en direcciones casi opuestas. Uno de los productos de fisión es atrapado en el ánodo, mientras que el segundo es proyectado hacia el espacio inter-electrodos ionizando el gas. Los productos de fisión son isótopos con carga eléctrica por lo que el fragmento que es proyectado hacia el gas que rellena el espacio inter-electrodos produce la ionización del mismo a medida que este se desplaza a través de él, produciendo la liberación de pares electrón-ion. Estos pares, bajo la acción de un campo eléctrico producido por la aplicación de un voltaje de polarización a los electrodos de la cámara, comienzan a desplazarse en direcciones opuestas, los electrones hacia el ánodo y lo iones hacia el cátodo. Este desplazamiento de cargas en el seno de un campo eléctrico produce un pulso de corriente y una caída de potencial, que pueden ser medidos por la electrónica conectada al detector. El propósito de este trabajo ha sido el desarrollo de un software llamado MCFCD, cuyas siglas corresponden al acrónimo inglés de Monte Carlo Fission Chambers Designer, que permita la simulación de cámaras de fisión tanto en condiciones fijas como variables. Durante la fase de definición y alcance de este trabajo se estableció como primer requisito el que este software había de ser capaz de simular el ciclo completo de operación de una cámara de fisión. MCFCD es capaz de simular desde el transporte de radiación hasta la señal eléctrica producida por la cámara, pasando por la producción de portadores eléctricos en seno del gas de relleno o el inventario de productos de fisión. MCFCD trabaja en tres dimensiones (3D) y ha sido desarrollado con la intención de asistir a los ingenieros y científicos en el ciclo completo de diseño de cámaras de fisión. MCFCD integra las condiciones de simulación necesarias para llevar a cabo el estudio preliminar de diseño de estos detectores; los cuales se encuentran en la actualidad dispersos entre diversas aplicaciones de propósito general. El desarrollo de MCFCD ha precisado de un largo proceso de diseño de un modelo físico capaz de ser implementado en una metodología basada en eventos estocásticos, como es el caso del método de Monte Carlo. MCFCD ha sido concebido como un software modular. Esto quiere decir que MCFCD dispone de varios módulos de simulación de los diferentes procesos físicos que tienen lugar, así como una base de datos que incorpora las bibliotecas de secciones eficaces y datos nucleares necesarios para acometer el proceso de simulación. El hecho de disponer de una base de datos externa e independiente confiere a MCFCD una gran versatilidad, ya que permite la incorporación de nuevos datos, así como la actualización de los existentes. La base de datos independiente permite, además, la ejecución de MCFCD en entornos de computación distribuidos, como clusters de computadores o virtual computers. En la presente tesis no solamente se han realizado ciclos de simulaciones con la intención de validar MCFCD. También se han realizado simulaciones incluyendo absorbentes neutrónicos y con diferentes depósitos de material fisionable, con el fin de mostrar la versatilidad y capacidades del código desarrollado. Estas simulaciones, así como los resultados obtenidos prueban la versatilidad de MCFCD en el análisis de diferentes materiales, configuraciones y sensibilidad de las cámaras de fisión. La presente tesis doctoral se encuentra estructurada de la siguiente manera: El capítulo 1 contiene un resumen sobre el software MCFCD y sus objetivos. En el capítulo 2 se describe la teoría básica sobre la interacción de la radiación con la materia. Los fundamentos de los detectores de radiación basados en el empleo de ionización de gas como medio de generación de las señales, se encuentran en el capítulo 3. El capítulo 4 está dedicado a describir los principios de funcionamiento de las cámaras de fisión, así como los últimos avances en este tipo de detectores de radiación. El capítulo 5 presenta el método de Monte Carlo empleado para el desarrollo de este trabajo, así como el modelo estocástico desarrollado para la simulación de cámaras de fisión. La estructura y capacidades de MCFCD se exponen en el capítulo 6. La exposición de los resultados obtenidos durante el presente trabajo, para la cualificación de MCFCD como simulador de cámaras de fisión, se encuentran en el capítulo 7. Finalmente, las conclusiones obtenidas a la vista de los resultados del trabajo realizado y las nuevas funcionalidades que se pretende introducir son expuestas en el capítulo 8. ABSTRACT A fission chamber is a radiation detector devoted to estimate the neutron fluence rate inside a nuclear facility as well as instantaneous changes in the irradiation conditions. In addition, it is used to give an estimation of the neutron spectrum inside the installation. The analysis of the electrical signals delivered by the fission chamber helps to calculate the nuclear power released, the energy distribution in the arrangement, the level of damage in structural materials or the effectiveness of radiation protections. In case of fission mechanisms, they can also provide data about critical parameters such as: fuel burn-up, degree of poisoning in fuel and evolution in transmutation of radionuclides. The sensor consists of a pair of electrodes, one of which, is coated with a fissile material, and the space between the electrodes being filled with an inert gas. When a neutron interacts with the fissile material and produces fission, a couple of fission products appear, which due to their high emerging energy are released in almost opposite directions (see Figure 1). One of the fragments is trapped in the anode while the second one is projected to the inter-electrode gap, ionizing the filling gas (see Figure 2). Fission products are electrically charged particles, so they produce the ionization of the gas they are crossing, resulting in production of multiple pair electron-ion. A polarizing voltage is applied to the electrodes producing an electric field, preventing electrons and ions from recombining and forcing them to drift towards the anode and cathode, respectively. The movement of those charges within the electric field produces a pulse of current and potential. These signals can be measured and processed giving direct information about the irradiation field. The purpose of this work has been the development of a software suite, named Monte Carlo Fission Chamber Designer (MCFCD), for the design and simulation of fission chambers under steady-state and variable conditions. The base requirement has been the capability of performing the end-to-end design cycle of one of those detectors. MCFCD is capable of satisfactorily execute the most remarkable physical processes taking place in a fission chamber; from radiation transport simulation to the electrical signal delivered and chamber sensitivity. MCFCD works in three dimensions (3D) and it has been developed with the aim of assisting engineers and scientists in the complete design cycle of fission chambers. MCFCD integrates the computation capabilities needed to accomplish the preliminary design cycle of a fission chamber. Capabilities that are nowadays dispersed in different general purpose applications. In order to implement MCFCD, it has been necessary a long process for the development of a physical model capable of being implemented in a stochastic event-driven method such as Monte Carlo. MCFCD has been conceived as a modular package. It means, MCFCD includes simulation modules for the different physical processes, as well as a nuclear database. This database contains nuclear data files and the necessary information to allow MCFCD to perform an end-to-end simulation process. The implementation of a decoupled database allows MCFCD and the user to add and/or update the information without having to recompile the software. The external database also permits the addition of new information without having to care about the internal information organization. Another notable benefit of this external database is that it permits the execution of multiple MCFCD instances in either the same computer or in a computer grip as a parallel processing implementation. In this work not only simulations with the aim of the validation of MCFCD have been performed; calculations with different neutron shields and with different fissile deposits have been developed to show the code capabilities. These simulations and exhibited results pursue probing the MCFCD versatility for the analysis of different materials, configurations and sensitivity of the fission camber. This thesis is organized as follows: an introductory summary about the software developed and the gap it tries to cover is explained in the Chapter 1. Basic theory about the interaction of the different types of radiation with matter is reviewed in Chapter 2. A presentation of the fundamentals of gas filled detectors is introduced in Chapter 3. Special attention is devoted to the fission chambers in Chapter 4, the kind of gas filled detector we model in this research. Chapter 5 presents the Monte Carlo method and its application to the stochastic model already developed for the development of fission chambers. Particular attention is paid to the transport or radiation, and more explicitly, to the transport of neutrons. It also underlines the importance of the probability in the implementation of the Monte Carlo method, especially thoroughly revises the concepts of random variables sampling (probability distribution or probability density function and cumulative distribution functions) and variance reduction techniques. This chapter also presents different methodologies of variance reduction techniques implemented in this research. The MCFCD software suite is described in Chapter 6. Results of the process of qualification of MCFCD are displayed in Chapter 7. Conclusions of this work, future works and open issues are introduced in Chapter 8.