Diseño y análisis multidisciplinar de la fuente de neutrones de media intensidad propuesta para ess-bilbao

Resumen

Desde su descubrimiento en 1930, los neutrones se han constituido como una herramienta fundamental en la ciencia y la tecnología para la exploración de la materia. Desafortunadamente, su producción para experimentación requiere de procesos nucleares, y el desarrollo de fuentes de neutrones presenta relevantes desafíos de ingeniería. En la actualidad, la Unión Europea construye la que está llamada a ser la fuente de neutrones guiada por acelerador más potente del mundo, la European Spallation Source (ESS). En 2013, la participación española al proyecto, aglutinada en el consorcio ESS-Bilbao, planteó la posibilidad de canalizar la contribución en especie a ESS a través de la construcción de una fuente de neutrones compacta de media intensidad. Esta fuente, que se ubicaría en el campus de Vizcaya de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), serviría como estación de desarrollo y banco de pruebas de los componentes de ESS, así como instalación con interés científico propio para la comunidad de técnicas neutrónicas. El presente trabajo tiene por objeto el diseño de los componentes principales de la propuesta de fuente de neutrones para ESS-Bilbao, evaluando su viabilidad técnica y rango de aplicación. Para llevar esto a cabo, el grueso del trabajo se concentra en el diseño de un blanco de producción de neutrones. En una fuente de neutrones guiada por acelerador, este componente recibe el impacto de partículas aceleradas, induciéndose en él las reacciones de producción de neutrones. En su diseño, la eficiencia de la producción neutrónica es la característica clave a optimizar. No obstante, la intensa deposición energética originada por el impacto del haz de partículas, conlleva requisitos en términos de refrigerabilidad, tensiones termomecánicas, fatiga y daño por irradiación, que el diseño del blanco debe satisfacer. Una vez se ha definido el blanco, y por tanto la producción neutrónica de la fuente, se deben especificar y optimizar los componentes relevantes para hacer los neutrones útiles para experimentación. Hecho esto, se concluye el estudio con una evaluación preliminar del potencial rango de aplicación de la fuente. Este proceso de diseño y análisis se ha dividido en las siguientes fases: El Capítulo 1 introduce brevemente las técnicas de experimentación con neutrones, junto con los diferentes procesos nucleares que pueden dar lugar a su producción. Se desglosan con detalle los elementos de una fuente guiada por acelerador, y se hace un breve repaso del estado del arte de estos dispositivos. Por último, se describe el contexto histórico del proyecto ESS, y la motivación e interés de la propuesta de fuente de ESS-Bilbao. En el Capítulo 2, se deciden las principales opciones de diseño para la definición del blanco de producción de neutrones. El acelerador de protones propuesto para la instalación, acelera las partículas hasta los 50 MeV en pulsos de 1.5 ms, con una corriente media de 2.25 mA y una potencia total de 112.5 kW. La fuente propuesta será, por tanto, una fuente de media intensidad y pulso largo. Partiendo de este acelerador, se selecciona el material del blanco en base a la optimización de la producción neutrónica. A continuación, se definen los parámetros básicos del sistema de refrigeración necesario, y se estudia el efecto en términos de tensión y temperatura del impacto de las partículas, evaluando la influencia del espesor del blanco y de la frecuencia de impacto del haz en estas magnitudes. Por último, se analizan los aspectos relacionados con la vida útil en operación del blanco. Como resultado del estudio realizado, se concluye que la solución base de diseño de la fuente propuesta para ESS-Bilbao, es un blanco rotatorio de berilio refrigerado por agua en régimen forzado monofásico, en el que los neutrones se producen mediante la reacción de extracción (o stripping). Los análisis de optimización termomecánica efectuados definen un blanco formado por 20 placas de berilio de 9 mm de espesor, sobre las que impacta el haz de protones con una frecuencia de 1 Hz en cada una. Con estos parámetros de diseño, se configura una fuente con una intensidad de 8.0·10^14 neutrones por segundo, alcanzándose valores aceptables de temperatura y tensión en el berilio. El estudio de las consecuencias de la irradiación estima la vida útil de las placas en un mínimo de 4 años, de acuerdo a los cálculos más conservadores. En el Capítulo 3, se diseña una estructura que materializa el concepto de blanco rotatorio previamente definido. Los cálculos termomecánicos y termohidráulicos llevados a cabo definen un diseño capaz de albergar las placas de berilio, proporcionarles la refrigeración necesaria mediante canales internos; y soportar tanto las cargas de operación normal, como aquellas derivadas de las secuencias accidentales previsibles. El diseño obtenido es el resultado de un proceso iterativo de análisis y mejora, cuyo histórico se recoge en el Apéndice A. En el Capítulo 4, se deciden los principales parámetros de diseño del moderador y el reflector de la instalación, estableciendo una configuración de referencia para el conjunto blanco-moderador-reflector, definitorio de comportamiento neutrónico de la fuente. El proceso de diseño se ha orientado a optimizar la producción de neutrones fríos, buscando aumentar la capacidad de la fuente para la aplicación de técnicas experimentales basadas en dispersión de neutrones. La configuración de referencia resultante cuenta con un moderador de metano sólido en configuración ``slab'', rodeado de un reflector de berilio y del que parten tres líneas experimentales. Con estas decisiones de diseño, la configuración de referencia propuesta para la fuente de ESS-Bilbao produciría un brillo de neutrones de 5 meV de 3.6·10^10 n/cm^2·sr·s, y de 1.3·10^11 n/cm^2·sr·s para neutrones de energía inferior a los 0.4 eV. Sobre esta configuración de referencia, diversas configuraciones alternativas y avanzadas se han analizado, como la inclusión de un segundo moderador, o de filtros de berilio. También se ha evaluado la capacidad de la fuente para producir neutrones térmicos. Los análisis muestran que empleando un moderador de agua ligera, la producción de neutrones térmicos alcanzaría los 1.4·10^11 n/cm^2·sr·s. Estos valores de brillo neutrónico son, grosso modo, un orden de magnitud inferiores a los de las grandes fuentes; instalaciones éstas con aceleradores en el rango del megavatio de potencia, basadas en reacciones de espalación. No obstante, dichas fuentes cuentan con una producción neutrónica aproximadamente dos órdenes de magnitud superior a la propuesta para ESS-Bilbao, por lo que este diseño presenta una alta eficiencia. Esta eficiencia es especialmente patente cuando se consideran la complejidad y el coste de las estructuras aceleradoras necesarias en cada caso. La evaluación preliminar de las potenciales aplicaciones de la fuente muestra que, con los flujos neutrónicos generados, ésta podría dar servicio a técnicas de experimentales basadas en activación, transferencia y a gran parte de las técnicas basadas en dispersión de neutrones; además de a otras actividades como irradiación de componentes, calibración de detectores, prueba de moderadores, etc. En el Capítulo 5, a modo de enlace con futuros trabajos, se referencian dos proyectos europeos que en la actualidad buscan construir sendas fuentes de características similares a la aquí propuesta, y se describe un prototipo representativo del diseño desarrollado en este trabajo, fabricado para validar los aspectos termohidráulicos del blanco. Como conclusiones, recogidas en el Capítulo 6, cabe destacar que este diseño define por primera vez una fuente de media intensidad y alta eficiencia basada en la reacción de extracción, que con costes mucho menores que las grandes instalaciones basadas en la reacción de espalación, o los reactores experimentales de fisión, habilita técnicas neutrónicas normalmente sólo disponibles en estos. Estas características han hecho que, en los últimos tiempos, el interés por este tipo de fuentes haya crecido, de tal manera que se plantean como candidatas a constituir una nueva generación de fuentes de neutrones. Esta generación está llamada a sustituir a los reactores experimentales próximos a su fin de vida, y a crear una red de instalaciones complementaria a las grandes fuentes de espalación, que expanda el acceso a las técnicas de experimentación neutrónica.