Simulation of the Interaction Mean Free Path between Neutrons and TRISO Particles

Abstract

The interaction mean free path between neutrons and TRISO particles is simulated using scripts written in MATLAB to solve the increasing error present with an increase in the packing factor in the reactor physics code Serpent. Their movement is tracked both in an unbounded and in a bounded space. Their track is calculated, depending on the program, linearly directly using the position vectors of the neutrons and the surface equations of all the fuel particles; by dividing the space in multiple subspaces, each of which contain a fraction of the total number of particles, and choosing the particles from those subspaces through which the neutron passes through; or by choosing the particles that lie within an infinite cylinder formed on the movement axis of the neutron. The estimate from the current analytical model, based on an exponential distribution, for the mean free path, utilized by Serpent, is used as a reference result. The results from the implicit model in Serpent imply a too long mean free path with high packing factors. The received results support this observation by producing, with a packing factor of 17 %, approximately 2.46 % shorter mean free path compared to the reference model. This is supported by the packing factor experienced by the neutron, the simulation of which resulted in a 17.29 % packing factor. It was also observed that the neutrons leaving from the surfaces of the fuel particles, in contrast to those starting inside the moderator, do not follow the exponential distribution. The current model, as it is, is thus not valid in the determination of the free path lengths of the neutrons.

Neutroneiden ja TRISO-partikkelien välistä vuorovaikutusvapaamatkaa simuloidaan käyttäen MATLABissa kirjoitettuja ohjelmia reaktorifysiikkakoodi Serpentissä kuulakekoreaktorien simuloinnin tuloksien pakkaustiheyden mukana kasvavan virheen ratkaisemiseksi. Neutroneiden kulkua seurataan sekä rajoittamattomassa että rajoitetussa avaruudessa. Neutronien rata lasketaan lineaarisesti ohjelmasta riippuen suoraan neutronien paikkavektorien ja kaikkien polttoainepartikkelien pintayhtälöiden avulla; jakamalla avaruus aliavaruuksiin, joissa jokaisessa on murto-osa kokonaispartikkelimäärästä, ja valitsemalla niiden aliavaruuksien partikkelit, joiden läpi neutroni kulkee; tai valitsemalla neutronin kulkusuuntaan muodostetun äärettömän sylinterin sisälle jäävät partikkelit. Vertailukohteena käytetään Serpentissä nykyisin käytettävän eksponentiaaliseen jakaumaan perustuvan analyyttisen mallin vapaan matkan arvon estimaattia. Serpentin implisiittisen mallin tulokset viittaavat liian suureen vapaan matkan arvoon korkeilla pakkaustiheyksillä. Saadut tulokset tukevat tätä havaintoa antamalla 17 % pakkaustiheydellä noin 2.46 % pienemmän vapaan matkan kuin referenssimalli. Tätä tukee neutronin kokema pakkaustiheys, jonka simulaation tuloksena saatiin 17.29 % pakkaustiheys. Tämän lisäksi havaittiin, että polttoainehiukkasten pinnoilta lähtevät neutronit eivät hidasteesta lähtevien tavoin noudata täysin eksponentiaalista jakaumaa. Käytetyn mallin jakauma ei siten ole sellaisenaan kelvollinen neutroneiden vapaiden matkojen määrittämiseen.