Shadowing effect correction for the Pavia TRIGA reactor using Monte Carlo data and reduced-order modelling techniques

Reactor safety and monitoring have historically been important and challenging aspects within nuclear power plants, and attention to these issues will grow even more in future years due to both the increase in the energy demand, including from fission plants, and the unique features of designs expected for Gen-IV reactors. Neutron flux measurement techniques play a crucial role in both safety and efficiency in nominal reactor operations situations, being the flux a quantity directly correlated with the overall plant power and subjected to faster dynamics compared to thermal-hydraulics quantities. However, as is well known in the literature, the neutron flux undergoes spatial distortions due to the insertion of the control rods. This in turn can result in the shadowing of detectors, interacting with the measurements of significant reactor parameters from the point of view of safety, corrupting experimental data. These effects are even more pronounced in small reactors, such as research facilities or micro-reactors, where few high reactivity worth control rods are used. For this reason, this paper focuses on the TRIGA Mark II research reactor at the University of Pavia, proposing the identification of the detector positions within the core that are the least sensitive to this shadowing. The positions are inferred using Reduced Order Modelling techniques applied to parametric OpenMC simulations representing several TRIGA configurations.

La sicurezza e il monitoraggio dei reattori sono stati storicamente aspetti importanti e impegnativi all’interno delle centrali nucleari, e l’attenzione a questi temi crescerà ancora di più negli anni futuri a causa sia dell’aumento della domanda di energia, anche da parte delle centrali a fissione, sia delle caratteristiche uniche dei progetti previsti per i reattori di IV generazione. Le tecniche di misurazione del flusso di neutroni svolgono un ruolo cruciale sia per la sicurezza che per l’efficienza nelle situazioni di funzionamento nominale dei reattori, essendo il flusso una grandezza direttamente correlata alla potenza complessiva dell’impianto e soggetta a dinamiche più rapide rispetto alle grandezze termoidrauliche. Tuttavia, come è noto nella letteratura scientifica, il flusso di neutroni subisce distorsioni spaziali dovute all’inserimento delle barre di controllo. Questo a sua volta può provocare l’ombreggiamento dei rivelatori, interagendo con le misure dei parametri del reattore significativi dal punto di vista della sicurezza, corrompendo i dati sperimentali. Questi effetti sono ancora più pronunciati nei reattori di piccole dimensioni, come gli impianti di ricerca o i microreattori, dove vengono utilizzate poche barre di controllo ad alta reattività. Per questo motivo, il presente lavoro si concentra sul reattore di ricerca TRIGA Mark II dell’Università di Pavia, proponendo l’identificazione delle posizioni del rivelatore all’interno del nocciolo che sono le meno sensibili a questo ombreggiamento. Le posizioni sono dedotte utilizzando tecniche di riduzione delle dimensioni applicate a simulazioni parametriche OpenMC che rappresentano diverse configurazioni del TRIGA.