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2 1**1 CISE-R-25S Contratto di Ricerca CNEN-EURATOM-CISE N NTRI Rapporto Tecnico N. 57 isure neutroniche su un elemento di combustibile CIRENE nel reattore ESSOR a potenza zero F. Accinni, M. Mangialajo, G. Morandi, M. Morselli DECLASSIFIED CIS E - Servizio Documentazione Segrete (Milano), dicembre 1967

3 CIS B-R-258 MISURE NBPTBDNICHB SP UH ELEMENTO DI COMBUSTIBILE "CIRENE" NEL REATTORE "BS80B" A POTENZA ZERO F. Accinni, M«Mangiala;) o, G. Morandi, M. Morselli Questo studio è stato eseguito dal CISB nell'ambito dei lavori previsti dal contratto CIRENE-3 stipulato con il CNEN e l'euratom. C I S E - Servizio Documentazione Segrate (Milano), dicembre 1967

4 IHDICI Abstract - Riassunto Ringiasiaaenti 1. SCOPO DELL'ESPBBIBtfZA 2* DBSCRIZIOHB DELL'ELMETTO DI COMBUSTIBILE 3. msobb DI REATTIVITÀ 1 4* MAPPATORE DELLA. DBH3ITA» HXOTBOHICA 5* RISQUTATI Bibliografia Elenco delle tabelle e delle figure

5 Abstract Results on neutron physics measurements performed at zero power on a CIR0S fuel element in the SSSOfi reactor - Ispra Centre - are reported* These experiments were carried out. in the framework of CART plant achievement, in order to obtain an experimental examination of the flux situation to which the CIRBB element will be exposed during tba irradiation programme for which the CART plant was built. Riassunto Si riportano i risultati delle misure neutroniohe a potenza zero, effettuate su un elemento di combustibile CIRBTB, nel reattore SSSOR del Centro di Ispra* Le esperienze di cui sopra sono state eseguite, nel quadro della realizzazione dell'impianto CART, allo scopo di ottenere una verifica sperimentale della situazione di flusso alle quali l'elemento C1RENB sarà sottoposto durante il programma d'irraggiamento globale per evi l'impianto CAST è stato costruito.

6 1» SCOPO MLL'BSPmVIBIà Gli autori desiderano ringraziare i amari dal Laboratorio Fabbricazione e Controllo Slenenti di Combustibile dal CIB, presso cui l'elemento di combustibile è stato real is sa to. I più sinceri ringraziamenti sono doverosamente rivolti al Gruppo di Baeroisio ed ai fisici dal reattore BSSOB che, con la loro collaborasione, hanno permesso la raallssasiona dalle misure. Val reattore BSS01, realisaato dell'sura torn presso il Cd di Ispra, è atato oostruito, mail'ambito dal contratto CIBBB-3, l'impioto CA»* 1 ' il orni oanale è installato malia posizione BS-1 (vedi fig.l) dal reattore* L'impianto CAM varrà impiagato per eseguire esperi ense globali di irraggiamento au elementi di oombustibile d'intareaaa per il programma CIUB. 8" ovviamente d'estremo interease oonoacere eaattamente le condizioni di filiamo naatzonioo in eoi ausate esperienze saranno condotte* Allo scopo mi è provveduto, durante la prima fase di criticità del reattore (maggio-glagmo 1967), ad eseguire, su uno «poetale elemento di combustibile, tutta la misura necessarie par avara una buona conoscensa dalla condizioni in cui un elemento dal tipo CISBB verrà irraggiato nel reattore KSSQ2* Si è approfittato anche di queato ciclo d'esperienze per avere una conferma sperimentale dei calcoli eseguiti nell'ambito dell'analisi di sicurezza dall'impianto CAST, relativi alla reattività introdotta in corso di svuotamento del canale di prova (cfr. par* 2). -?I - - 1

7 2. DESCRIZIONE DBLL'ELBIBNTO DI COMBUSTIBILB 3* MISURE 3)1 REATTIVITÀ ' Nell'ambito dell'esperienza CART (1) è stato progettato} costruito, ed installato nel canale BS-1 del reattore BSSOE un elemento di combustibile di tipo CIRBNB, composto di 3 spezzoni, di 300mm di lun ghezza ciascuno per irraggiamenti a potenza zero* Gli spezzoni sono costituiti da fasoi di 19 tubi in Zr-2, contenenti pastiglie sinteriz zate di U0_ e racchiusi entro tubi in Al, simulanti il tubo di forza* I fasoi sono stati progettati in modo da poter essere facilmente eroori tati per la sostituzione del materiale idrogenato simulante il refrigerante, costituito da sagome in polistirolo (fig* 2)* Nella t8"bella I sjno riportati i dati relativi ai materiali costituenti gli spezzoni* Alla estremità superiore dell'elemento attivo è inoltre montato uno spezzone di tubo di forza in Al, contenente polistirolo ed una barra di sostegno in Zr-2, per simulare l'uscita della miscela del canale; analogamente alla estremità inferiore è simulato l'ingresso del refrigerante} con un cilindro contenente polistirolo in polvere* I tre opezzoni attivi e i due "falsi spezzoni" montati coassialmen te, sono appesi ad una barra di sospensione di ~ 4 metri di lunghezza. Particolari accorgimenti sono stati presi per permettere l'introduzione nell'elemento} già montato nel reattore, di fili di rame per la simulazione dell'avvelenamento da Xeno* e per la misura del profilo assiale della densità neutronioa* Inoltre possono essere inseriti nell'elemento dei tubi in alluminio} contenenti rivelatori} per le mappature di flusso di pertinenza dell'buratorn* Nella fig* 3 è riportata la sezione dello spezzone* In fig* 4 si può vedere l'elemento durante l'operazione d'introduzione nel reattore* Le misure sono state effettuate dal personale dell'euratom per 2 configurazioni del reattore» a) Configurazione 2*3 simulante il reattore a potenza con la distri^ buzione assiale di densità del refrigerante nell'elemento CIRENE riportata in tabella I* b) Configurazione 3 simulante il reattore in condizioni di start-up* Nella configurazione 2.3 è stata determinata la reattività dell'elemento CIRENE mediante 2 successivi approcci critici* Nel primo il canale BS-1 conteneva un cilindro riempito con D_0 e nel secondo era stato invece inserito nel canale l'elemento CIRENE* La variazione di reattività misurata in base alla taratura delle barre di controllo è risultata ò k pcm* Un'altra misura di A k è stata eseguita nella configurazione 3* Sono state confrontate le reattività dell'elemento CIRENE con e senza refrigerante* La differenza (vuoto-pieno) è risultata essere di +137 pcm*

8 4. MAPPATOHB DELLA DENSITÀ» BBQTBOHICA Grazie ai fili di rame introdotti nell'elemento per la simulazione dell'avvelenamento da Xeno è stato possibile ottenere l'andamento della densità neutronioa nell'elemento per la configurazione 2*3* Subito dopo l'irraggiamento i fili (per la posizione vedere fig.5) sono stati tagliati in tanti spezzonoini da 10mm» dei quali è stata misurata l'attività / I dati ottenuti sono stati elaborati con il codice PIROGA (2) per tener conto del decadimento» I risultati ottenuti sono riportati in fig* 6* Sono stati posti in evidenza i picchi di densità neutronioa in oojr rispondenza delle giunzioni fra gli spezzoni* Si à ritenuta opportuna un'indagine più approfondita che permettesse di ricavare dati più pre ci8i sull'andamento dei suddetti picchi nell'interno del combustibile; altro dato interessante era il valore della anisotropia della don sita neutronioa nella corona esterna del fasolo* All'uopo sono stati montati nello spezzone inferiore 8 tubi in Zr-2 con le estremità non saldate* contenenti pastiglie di U0?. Fra le pastiglie sono stati interposti dei disohi di rame di diametro pari a ouello delle pastigli*, separati dalle medesime oon sottili disohi in alluminio i per evitare la contaminazione da parte dei frammen ti di fissione* L'attività Y dei disohi di rame, recuperati dopo 1'irraggiamento, ha permesso di ottenere l'andamento della densità neutronioa nell'interno del combustibile* Va poste in rilievo ohe tale misura è stata effettuata nella configurazione 3, oon l'elemento CIBBHB riempito di polistirolo per la simulazione del refrigerante* In fig* 7 è riportata la mappa dei disohi di rame nell'interno del combustibile* Nella tabella II sono invece presentate le attività a saturazione ottenute dopo l'elaborazione con il codice PIBOGA dui conteggi effettuati* In fig* 8 si hanno i profili assiali della densità neutronioa nei 3 tubi rappresentativi (centrale, intermedio e periferico)* In fig* 9 si ha il profilo azimutale della densità neutronioa nei tubi dell'anello esterno del fascio* Infine in fig* 10 sono riportati gli andamenti assiali ottenuti con fili di rame inseriti in posizione 3 e 5 nell'elemento CIBENB irraggiati nella configurazione 3 del reticolo SSSOB, in presenza di refrigerante simulato*

9 5* HISULTÀTI In base all'andamento della densità neutronica nel combustibile si è accettata l'ipotesi che le pastiglie interessate dalla perturbazione dovuta alla giunzione siano le 3 più vicine al bordo di ogni tubo» Dato l'andamento rettilineo della densità nelle altre pastiglie si è estrapolato tale andamento fino all'estremità superiore del combustibile determinando cosi un valore approssimato per eccesso della densità neutronica imperturbata* Un valore sicuramente approssimato per difetto lo si ottiene invece considerando costante la densità a partire dalla estremità inferiore della III pastiglia» La media dei 2 valori è stata considerata come valore del flusso imperturbato nei 3 punti considerati* Per il tubo esterno, che è il più sollecitato, si ottiene con questa ipotesi* per 11 rapporto fra densità neutronica di picce nel combustibile e densità imperturbata il valore 1,32 0,04* L'incertezza della misura è stata determinata considerando i valori del suddetto rapporto* calcolati con i valori estremi della dan sita imperturbata utilizzati per la media* In fig* 11 e 12 sono riportate rispettivamente la distribuzione assiale della densità neutronica nel combustibile e la distribuzione radiale* depurate dall'andamento di grossa ripartizione e opportunamer*,e normalizzate* Per quanto concerne l'anisotropia azimutale dell'attività a saturazione dei rivelatori di rame* posti ad eguale altezza fra le pasti glie dei tubi del fascio esterno (fig* 9)> risulta cn«il rapporto tra la differenza fra valore massima e valere minime dell'attività e il valere medio risulta essere 0,135 0*001 per entrambi i livelli a cui la misura è stata effettuata* Al momento in cui questo rapporto viene compilato» si dispone di altre due misure della struttura fine della densità neutronica entro il combustibile, per reticoli tipo CIBENB* Tali misure sono state ef fettuate a lepra nel reattore ECO. nel corso di una serie di misure del "buckling" di reticoli regolari* con elementi di combustibile simili a quello usato nell'esperienza CABT (3)* Riportiamo, in fig* 13 l'andamento del rapporto tra fissioni del- 235 l'u nella corona periferica e nella corona intermedia rispetto al_ la barra centrale* in funzione della densità del refrigerante, per il passo quadrato 28* 12 cm* Come si vede, i valori dedotti nel corso delle esperienze CART sono consistenti con quelli determinati in ECO* Ulteriori verifiche potranno essere realizzate nel corso della campagna di misure attualmente in corso presso il reattore RB-1 di mont ecucco lino, durante la quale verranno effettuate misure di stru tura fine con densità di refrigerante equivalente a quella usata nel, l'elemento CART*

10 Bibliografia 1) G. Morandi et al. "Rapporto intermedio di sicurezza per il circuito CAHT". Parte I e II - CISB-R-223 (1967). 2) P. Palazzii F. Taddei: "Codici per l'elaborazione delle misure di parametri di cella". CISE-R-190 (1966). 3) F. Accinni et al. (in corso di pubblicazione).

11 Elenco delle tabelle e dalle figure Tabelle I - Caratteristiche dei materiali degli spezzoni di combustibile. II - Attività a saturazione dei dischi di rame irraggiati nel combustibile» Figure 1 - Reticolo del reattore ESSOR. 2 - Lo spezzone durante il montaggio* 3 - Sezione dello spezzone. 4 - L'elemento durante l'introduzione nel reattore. 5 - Posizione dei fili di rame. 6 - Andamento assiale della densità neutronica per la configurazione Mappa dei rivelatori di rame nello spezzone. 8 - Andamento assiale della densità neutronica nel combustibile* 9 - Andamento azimutale della densità neutronica nel combustibile Andamento assiale della densità neutronica per la configurazione Densità neutronica assiale depurata dell'andamento di grossa ripartizione Andamento radiale della densità neutronica depurata dell'andamento di grossa ripartizione Rapporti di attivazione 1/v in funzione della densità del refrigerante*

12 TABELLA I Caratteristiche dei materiali degli spezzoni di combustibile MATERIALE SPEZZONE IHFEBIORB SPBZZOHA INTEBMEDIO SPEZZONE SUPERIORE TOTALE uo 2 26,898 kg 26,898 kg 26,893 kg 80,599 kg Zr-2 2,633 kg 2,633 kg 2,633 kg 7,896 kg Al 2,026 kg 2,026 kg 2,026 kg 6,080 kg Cu 48 g 48 g 48 g 144 g (CH)n 0,501 kg 0,5^9 kg 0,363 kg 1,853 kg o(ch)n 0,627 g/cm 3 0,410 g/cm 0,255 g/cm 3 o(h 2 0)eq 0,454 g/cm 3 0,297 g/cm 3 0,183 g/cm Peso (CH)n falso spezzone inferiore g n n n n superiore 60,03 g * D0 2 10,49 g/cm 3 H/C (CH)n = 1,047 ^ pellets UO 19 mm 0 tubi di Zr-2 20 mm r e tubi di Zr-2 19,2 mm

13 TABELLA II Nord Attività a saturazione dei dischi di ram* irraggiati nel combustibile * N.B. La distanza fra i rivelatori di rame è 2,65 <-m, pari allo spessore delle pastiglie. Per la numerazione dei disohi vedi fig. 7* o Pig. 1 - Reticolo del reattore ESSOR

14 Fig. 2 - Lo spezzone durante il montaggio.

15 H^0 2 * 105,8 ± 9*114 5*121 Pig. 3 Sezione dello spezzone.

16 Fig. 4 - L'elemento durante l'introduzione nel reattore.

17 J f.*r Pig. 5 - Posizione dei fili di raae. % if

18 1.5x10,1Sx Htom posizioni N*6 o «.t N*1 I 1K» 4 - <» -1xKf 0, _o 5x10 o o ^ oo oooooo *» ^ ooo«o o ooocr V ** o > V,- 5x10 o «<> ooo' ooo SPEZZONE INTERIORE SPEZZONE INTERMEDIO SPEZZONE SUPERIORE 1x10 J 1 J L J L (cm) 1x10 Fit. 6 - Andamento assiale della densità' neutroolca p«r la configurazione 2.3.

19 Nord i 9 04 J5 3 4 li JZ i4 zz 25 II il J a 20 2$ numero della matita Pig. 7 - Mappa dei rivelatori di rame nello spezzone.

20 ^«'»^iitm^^^m^mtmmmf.'>msii'»'.j*fl-<» -A^^^jfaaiaw mmmmmmmmmmm matita periferica matita intermedia matita centrale alto 2,65 cm basso Pig. 8 - Andamento assiale della densità' neutronica nel combustibile.

21 centro 1 reattore esterno reattore # livello superiore livello inferiore 300 3S0 1 Fig. 9 - Andamento azimutale della densità' neutronica nel combustibile

22 4x10 e o 3 Pig Andamento assiale della densità* neutronica per la configurazione 3.

23 alto 9 valore normalizzato ad 1 matita periferica *«*««matita intermedia * matita centrale 2,65 cm 20 cm Pis Dens it V neutronica assiale depurata do l ] andum«nt o d i «rossa ripartizione.

24 -1.3 valore normalizzato ad alto (o cm) ,8 (-2,65 cm) (-5.3 cm) (-795 cm ed oltre) MC iri M! MP cm Pig. 12 * Aodaaento radiale della densità' oentropica deparata dall'andaaeoto di (rossa ripartizione.

25 barra barra periferica centrale CART ba r ra intermedia barra centrale 1,0 0,5 0,3 _L_ P*5 g/cm Pig Rapporti di attivazione l/v in funzione della densità' del refrigerante.

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