Simulação de transporte de nêutrons por Monte Carlo físico : a influência dos venenos de nêutrons na criticalidade

Abstract

Este trabalho estuda e simula as interações em um reator nuclear, analisando o comportamento dos venenos de nêutrons em seu núcleo, além dos efeitos causados pela inserção de tais materiais absorvedores na população de nêutrons, como a criticalidade. Partindo dos desenvolvimentos realizados pelo Grupo de Estudos Nucleares (GENUC) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), em especial, do simulador baseado no Método de Monte Carlo Físico, este trabalho visa acrescentar o funcionamento do simulador com os produtos de fissão, especificamente os venenos Xenônio-135 e Samário-149, e inseri-los na composição do núcleo. A concentração dos venenos foi assumida variável conforme sua produção de acordo com a taxa de reações de fissão. Elas foram determinadas via simulações no software Octave, a partir da solução de sistemas de equações diferenciais ordinárias que definem seu comportamento, de acordo com a literatura. Com esses dados, utilizando o programa desenvolvido pelo GENUC, foram simulados quatro intervalos de operação do reator: o startup, o equilíbrio de Xenônio, o equilíbrio de Samário e a reinicialização do reator após um tempo desligado. Como resultados, foi observado que ambos os venenos, após um certo período, atingem níveis de concentração de equilíbrio, de acordo com o observado na literatura. Já os efeitos no desempenho do reator, ocasionam em uma queda da criticalidade, da reatividade e da potência, sendo os efeitos do Xenônio-135 mais intensos que os do Samário-149, reduzindo a potência do reator em 72%, enquanto o Samário reduz em 30%. Quando ambos os venenos são inseridos juntos, a redução da potência foi de 76%. Os efeitos isolados, portanto, demonstram que o Xenônio-135 apresenta mais impacto que o Samário-149, no entanto, ambos reduzem as taxas de reações, e devem ser controlados.

This work studies and simulates interactions in a nuclear reactor, analyzing the behavior of neutron poisons inside the core, along with the effects caused by the insertion of these nuclei into the neutron population, such as criticality. Building upon the developments carried out by the Nuclear Studies Group (GENUC) at the Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS), specifically their simulator based on the Physical Monte Carlo Method, this study aims to enhance the simulator’s functionality by adding fission products, namely Xenon-135 and Samarium-149, and incorporate them into the core’s composition. The concentration of poisons was assumed to be variable according to their production based on the fission reaction rate. These concentrations were determined through simulations ran in the Octave software, solving systems of ordinary differential equations that define their concentration according to the literature. With this data, using the program developed by GENUC, four reactor operation intervals were simulated: startup, Xenon equilibrium, Samarium equilibrium, and reactor restart after a shutdown period. As a result, it was observed that both poisons, after a certain period, reach equilibrium concentration levels, consistent with the literature. Regarding the effects on reactor performance, they lead to a decrease in criticality, reactivity, and reactor power. The impact of Xenon-135 is more pronounced than that of Samarium-149, reducing reactor power by 72% and 30%, respectively. When both poisons are inserted together, the power reduction is 76%. The isolated effects demonstrate that Xenon-135 has a more significant impact than Samarium-149; however, both reduce the reaction rate and ought to be controlled.