Aprèn - Albert Riego Pérez

The n_TOF (neutron time-of-flight) is a facility at CERN comprised of a pulsed neutron source coupled to a 185 m flight path that ends at Experimental Area 1 (EAR1), where they collide against a target. It is used to study neutron-induced nuclear reactions within a range of neutron kinetic energies of a few meV to several GeV. The studied nuclear reactions are of interest in stellar nucleosynthesis, nuclear technology, radioactive waste transmutation, and basic nuclear physics. The name of the facility comes from the technique employed to determine kinetic energy of the neutrons, the time-of-flight technique. This work is part of a project that aims to study the neutron background of EAR1, since it affects experimental measurements. This study has many applications, such as deciding the optimal positions for detectors to minimize neutron background or determining the feasibility of simultaneously running experiments with samples that only need low neutron irradiation. This project was done through simulations with FLUKA, a Monte Carlo (MC) simulation code. Several setups, biasing techniques to reduce computation time and the appropriate normalizations were implemented. Along with the simulations, experimental measurements have been taken to validate the simulation?s results. We obtained new neutron background results as neutron fluence, neutron energy spectra, and fluence spatial distributions at the whole EAR1, by energy and time range. Data analysis and visualization tools were developed with the ROOT package (CERN). In conclusion, we successfully developed a method for reproducing the neutron background of EAR1 of the n_TOF facility by MC simulations with FLUKA. It can be easily adapted to recreate the background of future experiments, and several elements of the experimental configuration can be directly modified by the use of the preprocessor variables implemented. The methodology developed will be a useful tool for designing future experiment at n_TOF.

La instalación de n_TOF (neutron time-of-flight; tiempo de vuelo de los neutrones) es un experimento en el CERN que consiste en una fuente pulsada de neutrones acoplada a una trayectoria de vuelo de 185 m que acaba en el Área Experimental 1 (EAR1), donde colisionan con una muestra. Se usa para estudiar reacciones nucleares inducidas por neutrones en un rango de energías de unos pocos meV a varios GeV. Las reacciones nucleares estudiadas son de gran interés para la nucleosíntesis estelar, tecnología nuclear, transmutación de residuos radioactivos y física nuclear básica. El nombre de la instalación proviene de la técnica utilizada para determinar la energía cinética de los neutrones, la técnica del tiempo de vuelo. Este trabajo es parte de un proyecto que busca estudiar el fondo de neutrones del EAR1, porque éste afecta a las medidas experimentales. Este estudio tiene muchas aplicaciones, como decidir el posicionamiento óptimo de los detectores para minimizar el fondo de neutrones o determinar la viabilidad de llevar a cabo experimentos simultáneos con muestras que solo necesiten una irradiación baja de neutrones. Este proyecto se ha hecho mediante simulaciones con FLUKA, un código de simulaciones Monte Carlo (MC). Han sido implementadas varias configuraciones, técnicas de reducción de varianza para disminuir el tiempo de cáculo y las normalizaciones necesarias. Junto con las simulaciones, se llevaron a cabo medidas experimentales para validar los resultados de éstas. Hemos obtenido resultados del fondo de neutrones en forma de fluencia de neutrones, espectro energético de la fluencia, y distribución espacial de la fluencia en toda la EAR1, dividida por rangos de energía y tiempo. Las herramientas de análisis y visualización de los datos fueron desarrolladas en ROOT (CERN). Como conclusión, hemos desarrollado un método para reproducir el fondo de neutrones del EAR1 de la instalación n_TOF con simulaciones MC en FLUKA. Puede ser fácilmente adaptado para recrear el fondo de experimentos futuros, y varios elementos de la configuración experimental pueden ser modificados directamente a través de las variables de preprocesamiento incluidas en el código. La metodología desarrollada será una herramienta útil para el diseño de futuros experimentos en n_TOF.

La instal·lació de n_TOF (neutron time-of-flight; temps de vol dels neutrons) és un experiment del CERN que consisteix en una font polsada de neutrons acoblada a una trajectòria de vol de 185 m que acaba a l'Àrea Experimental 1 (EAR1), on col·lisionen amb una mostra. S'utilitza per estudiar reaccions nuclears induïdes per neutrons en un rang d'energies d'uns pocs meV a varis GeV. Les reaccions nuclears estudiades són de gran interès per a la nucleosíntesi estel·lar, tecnologia nuclear, transmutació de residus radioactius i física nuclear bàsica. El nom de la instal·lació prové de la tècnica utilitzada per determinar l'energia cinètica dels neutrons, la tècnica del temps de vol. Aquest treball fa part d'un projecte que busca estudiar el fons de neutrons de l'EAR1, perquè afecta les mesures experimentals. Aquest estudi té moltes aplicacions, com decidir el posicionament òptim dels detectors per tal de minimitzar el fons de neutrons o determinar la viabilitat de portar a terme experiments simultanis amb mostres que només necessitin una irradiació baixa de neutrons. Aquest projecte s'ha fet mitjançant simulacions en FLUKA, un codi de simulacions Monte Carlo (MC). Han estat implementades vàries configuracions, tècniques de reducció de variància per disminuir el temps de càlcul i les normalitzacions necessàries. Juntament amb les simulacions, es van prendre mesures experimentals per validar els resultats. Hem obtingut resultats del fons de neutrons en forma de fluència de neutrons, espectre energètic de fluència, i distribució espacial de la fluència en tota l'EAR1, dividida per rangs d'energia i de temps. Les eines d'anàlisi i visualització de les dades han sigut desenvolupades amb ROOT (CERN). En conclusió, hem desenvolupat un mètode per reproduir el fons de neutrons de l'EAR1 de la instal·lació n_TOF amb simulacions MC en FLUKA. Pot ser fàcilment adaptat per recrear el fons d'experiments futurs, i diversos elements de la configuració experimental poden ser modificats directament a través de les variables de preprocessament incloses en el codi. La metodologia desenvolupada serà una eina útil pel disseny de futurs experiments en n_TOF.

Analysis of nuclear fusion reactor discharge simulations using METIS

Trabajo final de grado

Guilera Alonso, Xavier

Tutor/a - Director/a: Cortés Rossell, Guillem Pere; Riego Pérez, Albert

Fecha de publicación: 2023

Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona (ETSEIB)

Ver detalle Acceso al texto completo

The Nuclear Engineering Department of UPC has the need of a nuclear fusion plasma simulator for its research activities and educational tasks. For many years, PRETOR has been the program used for this purpose, but it has become obsolete. Nowadays there are more modern simulation codes for fusion reactor's plasma shots, like CRONOS and METIS. Due to the complexity of CRONOS, METIS was more suitable. The Nuclear Engineering Section of UPC has been authorised by ITER Organisation to use METIS for educational and research purposes after the signing of an agreement named Agreement on Cooperation on the ITER Modelling and Analysis Suite (IMAS) and Related Repositories by Universitat Politècnica de Catalunya. This project has gotten inside METIS program, to analyse the obtained simulations on fusion plasma, trying to understand some pieces of code as well. METIS is a code based on MATLAB, combined with some modules programmed with Fortran, C and C++, developed by J.F. Artaud from the Institute for Magnetic Fusion Research, in France. Despite being METIS a very powerful tool on the simulation of fusion reactors with a great quantity of applications, as it is a restricted program only available for researchers from the same field, it does not offer enough help information for those who begin to work with it. This document includes a brief introduction on fusion physics, the principles on magnetic confinement reactors and the presentation of some different integrated modelling codes for fusion plasma. In order to complement the METIS help guide, we have used the knowledge acquired during our work to prepare a draft manual that we hope to be useful whenever it is intended to work on a teaching practices program. During this process we have tried to understand on which models the program is based, getting to analyse the source code, study and compare simulations. Furthermore, a great amount of work done in this project has been focused on the development of a setup of MATLAB functions designed to make easier the study of METIS outputs. This has permitted us to outline an example on how it would be possible to incorporate new functionalities inside METIS source code

El Departament d'Enginyeria Nuclear de la UPC té la necessitat d'un simulador de plasmes de fusió nuclear per dur a terme activitats de recerca i educació. Durant anys, PRETOR ha estat el programa utilitzat amb aquest propòsit, però ha quedat obsolet. Actualment hi ha simuladors més moderns per les descàrregues de reactors de fusió com CRONOS i METIS. Degut a la complexitat de CRONOS, METIS era més adequat. La Secció d'Enginyeria Nuclear de la UPC està autoritzada per l'Organització ITER a poder utilitzar METIS amb propòsits educatius i de recerca després de signar un acord anomenat “Agreement on Cooperation on the ITER Modelling and Analysis Suite (IMAS) and Related Repositories by Universitat Politècnica de Catalunya. Aquest projecte s'ha endinsat dins el programa METIS, per tal d'analitzar simulacions obtingudes sobre el plasma de fusió, procurant entendre part del codi del programa en el procés. METIS és un codi basat en MATLAB, combinat amb alguns mòduls en Fortran, C i C++, elaborat per J.F. Artaud de l'Institut per la Recerca en Fusió Magnètica, a França. Tot i ser METIS una eina molt potent en la simulació de reactors de fusió amb una gran quantitat d'aplicacions, al tractar-se d'un programa restringit només a investigadors del mateix camp de recerca, no ofereix una informació suficient per a tot aquell que comença a treballar amb ell. Aquest document incorpora una breu introducció a la física de fusió, els principis de funcionament dels reactors de confinament magnètic i la presentació de diferents codis de modelat integrat per plasmes de fusió. Per intentar complementar la guia d'ajuda de METIS, hem utilitzat els coneixements adquirits durant aquest projecte per elaborar un esbós de manual d'usuari que podria ser útil a l'hora de confeccionar un manual de pràctiques acadèmiques. Durant aquest procés hem intentat entendre sobre quins models es basa el programa, arribant a analitzar el codi font, estudiar i comparar simulacions. A més a més, un dels gruixos de feina més importants d'aquest projecte, ha estat tot el desenvolupament d'un seguit de funcions de MATLAB destinades a facilitar l'estudi de les sortides de METIS. Això ens ha permès també plantejar un exemple de com es podrien incorporar noves funcionalitats dins el codi font de METIS

El Departamento de Ingeniería Nuclear de la UPC tiene la necesidad de un simulador de plasmas de fusión nuclear para llevar a cabo actividades de investigación y educación. Durante años, PRETOR ha sido el programa utilizado con este propósito, pero ha quedado obsoleto. Actualmente hay simuladores más modernos para las descargas de reactores de fusión, como CRONOS y METIS. Debido a la complejidad de CRONOS, METIS era el más adecuado. La Sección de Ingeniería Nuclear de la UPC está autorizada por la Organización ITER a poder utilizar METIS con propósitos educativos y de investigación después de firmar un acuerdo llamado “Agreement on Cooperation on the ITER Modelling and Analysis Suite (IMAS) and Related Repositories by Universitat Politècnica de Catalunya”. Durante este proyecto nos hemos adentrado en el programa METIS, para analizar las simulaciones obtenidas sobre el plasma de fusión, procurando entender parte del código del programa en el proceso. METIS es un programa basado en MATLAB, combinado con algunos módulos en Fortran, C y C++, elaborado por J.F. Artaud del Instituto de Investigación en Fusión Magnética, en Francia. A pesar de ser METIS una herramienta muy potente en la simulación de reactores de fusión con una gran cantidad de aplicaciones, al tratarse de un programa restringido únicamente a investigadores del mismo campo, no ofrece información suficiente para todo aquel que empieza a trabajar con él. Este documento incorpora una breve introducción a la física de fusión, los principios de funcionamiento de los reactores de confinamiento magnético y la presentación de diferentes códigos de modelado integrado para plasmas de fusión. Para intentar complementar la guía de ayuda de METIS, hemos usado los conocimientos adquiridos durante este proyecto para elaborar un esbozo de manual de usuario que podría ser útil a la hora de confeccionar un manual de prácticas académicas. Durante este proceso hemos intentado entender sobre qué modelos se basa el programa, llegando a analizar el código fuente, estudiar y comparar simulaciones. Además, uno de los principales trabajos en este proyecto ha sido el desarrollo de un conjunto de funciones de MATLAB destinadas a facilitar el estudio de las salidas de METIS. Esto nos ha permitido también plantear un ejemplo de cómo se podrían incorporar nuevas funcionalidades dentro del código fuente de METIS