De acuerdo a lo anunciado por la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID), el Dr. Jaime Romero, investigador del Centro de Física Nuclear y Espectroscopía de Neutrones (CEFNEN) de la Comisión Chilena de Energía Nuclear (CCHEN), se adjudicó un proyecto Fondecyt de Iniciación 2024 para el estudio de “Simulaciones Monte Carlo transientes en un reactor nuclear de investigación con la inclusión de precursores de emisión de neutrones beta-retardados y comparación con experimentos dependientes del tiempo en reactores” (en inglés “Transient Monte Carlo in a research nuclear reactor with individual beta-delayed neutron precursors and comparison with time-dependent reactor experiments”).
El objetivo de este proyecto es proponer una nueva herramienta a la comunidad científica. En concreto, se trata de un código Monte Carlo capaz de hacer simulaciones transientes -es decir, dependientes del tiempo- de un reactor nuclear, lo que permitirá por primera vez la realización de intercomparaciones entre experimentos de inserción de reactividad en el núcleo del reactor y un código Monte Carlo puro. Veamos de qué se trata.
En la cadena de fisión del uranio-235 se han identificado más de 270 núcleos que emiten neutrones, luego del proceso de desintegración beta, en tiempos que pueden llegar hasta minutos tras la reacción de fisión. A estos neutrones se les llama neutrones beta-retardados y son fundamentales para controlar un reactor. Antes de continuar, hagamos una pausa para explicar esto último.
En la reacción nuclear de fisión de un neutrón con un núcleo de uranio-235 se producen de 2 a 3 neutrones inmediatos, emitidos en un rango de tiempo del orden de femtosegundos (10-15 segundos) luego de la reacción. Por su parte, los neutrones beta-retardados se producen por desintegración de los núcleos productos de la reacción, en un rango de tiempo que va desde los milisegundos (10-3 segundos) hasta varios minutos luego de la reacción de fisión.
Neutrones beta-retardados
Desde la década del 1950, por motivos prácticos de cálculo, estos neutrones beta-retardados se agruparon en seis conjuntos, según su tiempo de emisión. Los códigos Monte Carlo y de cálculo de reactores han permanecido hasta el momento con esta asociación de seis a ocho grupos. Sin embargo, experimentos avanzados con núcleos exóticos realizados en las últimas décadas han permitido tener datos en detalle, con sus incertidumbres, de las propiedades fundamentales individuales de la mayoría de estos 270 precursores, tales como tiempos de vida media, probabilidades de desintegración, etc.
Estos nuevos datos nucleares, sumados a la capacidad actual de computación (y supercomputación), permiten integrar datos individuales (no agrupados colectivamente) a cálculos en reactores nucleares, lo que posibilita evaluar la influencia individual de cada precursor en la operación del reactor.
“Me motiva, por una parte, lograr desarrollar una herramienta de vanguardia que sea útil para estudiar procesos no estacionarios en reactores nucleares, tanto actuales como también pensando en reactores avanzados, y, por otro lado, conectar este ámbito más aplicado de la física nuclear con investigación fundamental en física nuclear, ya que esperamos que los resultados que obtengamos nos permitan proponer realizar medidas de propiedades de núcleos, que sean precursores de neutrones retardados, en grandes instalaciones. Nuestro norte es transformarnos en referentes internacionales, tanto en el área de simulaciones como en las propuestas de nuevas medidas que puedan surgir de nuestro estudio”, comentó el Dr. Jaime Romero.
¿Para qué podría servir este estudio en el futuro?
Para empezar, podría aplicarse en una simulación de reactores avanzados que utilizan nuevo tipo de combustible que circula en el reactor junto con su moderador, por lo que su condición normal de operación es transiente como, por ejemplo, los reactores de sales fundidas.
Asimismo, puede aplicar a reactores avanzados, donde este código permitiría pensar en utilizar mezclas de materiales combustibles de los cuales se conocen individualmente los precursores beta-retardados, pero no el comportamiento colectivo de agrupación en seis a ocho conjuntos.
Por otra parte, los experimentos que se pretenden realizar en este proyecto podrían ser útiles para evaluar, mediante intercomparaciones, futuros códigos que puedan tener la capacidad de simular escenarios transientes en reactores.
Estas capacidades de inclusión individual de precursores pueden fomentar nuevas medidas de datos nucleares de núcleos precursores identificados como núcleos relevantes en el proceso de operación de un reactor, y sus incertidumbres. Estas medidas se propondrán para ser estudiadas en grandes instalaciones nucleares como RIKEN o CERN.
“La adjudicación de este proyecto es una muy buena noticia para nuestro Centro, ya que nos permite proyectar esta línea de investigación en Simulaciones Monte Carlo tiempo dependientes hacia el futuro, pensando en las oportunidades de colaboración que se nos abren, a partir del impacto que ha generado el desarrollo de este código en la comunidad nuclear en estos pocos años desde que se ha publicado los resultados del trabajo de tesis doctoral de Jaime, quien en la actualidad lidera estudios en esta área, y en el apoyo y proyección que nos brinda internamente pensando en las otras líneas de investigación del CEFNEN, tales como el Estudio de propiedades fundamentales de núcleos exóticos en grandes instalaciones y en Monitoreo y detección de neutrones”, comentó el Dr Francisco Molina, director del CEFNEN.