O objetivo deste trabalho é realizar uma análise sobre a cinética de nêutrons utilizando um modelo fracionário, recente na literatura. Este novo modelo envolve uma nova relação constitutiva entre a corrente de nêutrons e o fluxo escalar de nêutrons, em que uma das suposições realizada para a relação constitutiva clássica (lei de Fick) não é feita: a densidade de corrente não mais é irrelevante se comparada `a taxa de colisão. Ao considerar esta hipótese, este novo modelo aqui apresentado se torna mais abrangente que o modelo fickiano clássico. Para manter o caráter geral do modelo é considerado um operador diferencial de ordem fracionaria em sua dedução, o que acresce ao modelo dois novos parâmetros: o tempo de relaxação e a ordem da derivada fracionária. Considerando este modelo, é realizada a dedução das equações de cinética de nêutrons, com ênfase na cinética pontual de nêutrons. A equação fracionária de cinética pontual de nêutrons é resolvida analiticamente através do método da decomposição, a fim de estudar o novo modelo minimizando os erros numéricos. Os resultados obtidos através desta metodologia são comparados com os resultados clássicos em diversos casos, com a finalidade de analisar a influência dos parâmetros fracionários no modelo. / The objective of this work is to make an analysis about the neutron kinetics using a recent model on the literature. This new model involves a new constitutive relation between the neutron current and the neutron scalar flux, in which one of the simplifications made to find the classical constitutive relation (Fick’s law) is not considered: the current density no longer is irrelevant as compared to the collision rate. By considering this hypothesis, this new model here presented becomes more general than the classic fickian model. In order to keep the general property of the model, a differential operator with fractional order is considered in its deduction, which adds two new parameters to the model: the relaxation time and the fractional derivative order. Considering this model, the neutron kinetics equations are deduced, with emphasis on the neutron point kinetics. The neutron point kinetic equation is analytically solved by the Adomian’s decomposition method, in order to study the new model minimizing numerical errors. The results obtained by this methodology are compared to the classic results in several cases, in order to analyse the fractional parameters influences to the model.

Em testes físicos de reatores que são realizados na criticalização, após uma troca de combustível, por exemplo, como ocorre nos reatores PWR, é muito importante monitorar continuamente a reatividade durante o processo de criticalização. Medir a reatividade utilizando o método da Cinética Inversa é um processo bastante utilizado durante a operação de um reator nuclear, e é possível determinar a reatividade em tempo real baseado nas equações de cinética pontual. Essa técnica é aplicada com sucesso a altas potências, ou em núcleos que trabalham sem a existência de uma fonte externa, já que nesse caso o Termo Fonte na equação de cinética pontual pode ser desprezado. Para operações a baixas potências, a contribuição da fonte de nêutrons precisa ser levada em consideração, e isso implica em conhecer um valor proporcional à intensidade da fonte e, portanto esse valor precisa ser determinado. O Método dos Mínimos Quadrados em Cinética Inversa (Least Square Inverse Kinetics Method LSIKM) foi testado com modelo teórico e aplicado em experimentos no Reator Nuclear IPEN/MB-01 para a determinação do Termo Fonte com a utilização de um reatímetro que ignora o Termo Fonte em primeira instância. Após a determinação da Fonte S de forma consistente, seu valor foi inserido ao algoritmo de Cinética Inversa, e utilizando dados de detectores durante a criticalização, o reatímetro com Termo Fonte foi usado para medir a reatividade no domínio subcrítico, nos passos de criticalização, após experimento. / In Physical tests which are made during the approach process, after a fuel change, as an example, like those that occur in PWR reactors, monitoring the level of subcritical condition continuously is very important. Measuring reactivity by inverse kinetics method is a process widely used during a nuclear reactor operation, and it is possible to determine reactivity on line, based on the point kinetics equations. This method is applied successfully when the reactor works without an external neutron source, or while the reactor is in the critical domain, because in these cases, the source term in point kinetics equations might be neglected. However, when the power is too low, the source contribution is not negligible and must be taken into account, and this need imply a knowledge of a value proportional to the source intensity, and so this value must be determined. The LSIKM (Least Square Inverse Kinetics Method) has been tested in a theoretical model and applied experimentally in the IPEN/MB Nuclear Reactor facility for the determination of the source term, by using a reactivity meter neglecting the source term in first instance. After the determination of the value proportional to the source contribution, this value has been inserted into the algorithm of inverse kinetics, and using neutron detector data during the approach to critical process, the reactivity meter with source term was used to determinate the reactivity in the subcritical domain, after the experiment performing.

Em testes físicos de reatores que são realizados na criticalização, após uma troca de combustível, por exemplo, como ocorre nos reatores PWR, é muito importante monitorar continuamente a reatividade durante o processo de criticalização. Medir a reatividade utilizando o método da Cinética Inversa é um processo bastante utilizado durante a operação de um reator nuclear, e é possível determinar a reatividade em tempo real baseado nas equações de cinética pontual. Essa técnica é aplicada com sucesso a altas potências, ou em núcleos que trabalham sem a existência de uma fonte externa, já que nesse caso o Termo Fonte na equação de cinética pontual pode ser desprezado. Para operações a baixas potências, a contribuição da fonte de nêutrons precisa ser levada em consideração, e isso implica em conhecer um valor proporcional à intensidade da fonte e, portanto esse valor precisa ser determinado. O Método dos Mínimos Quadrados em Cinética Inversa (Least Square Inverse Kinetics Method LSIKM) foi testado com modelo teórico e aplicado em experimentos no Reator Nuclear IPEN/MB-01 para a determinação do Termo Fonte com a utilização de um reatímetro que ignora o Termo Fonte em primeira instância. Após a determinação da Fonte S de forma consistente, seu valor foi inserido ao algoritmo de Cinética Inversa, e utilizando dados de detectores durante a criticalização, o reatímetro com Termo Fonte foi usado para medir a reatividade no domínio subcrítico, nos passos de criticalização, após experimento. / In Physical tests which are made during the approach process, after a fuel change, as an example, like those that occur in PWR reactors, monitoring the level of subcritical condition continuously is very important. Measuring reactivity by inverse kinetics method is a process widely used during a nuclear reactor operation, and it is possible to determine reactivity on line, based on the point kinetics equations. This method is applied successfully when the reactor works without an external neutron source, or while the reactor is in the critical domain, because in these cases, the source term in point kinetics equations might be neglected. However, when the power is too low, the source contribution is not negligible and must be taken into account, and this need imply a knowledge of a value proportional to the source intensity, and so this value must be determined. The LSIKM (Least Square Inverse Kinetics Method) has been tested in a theoretical model and applied experimentally in the IPEN/MB Nuclear Reactor facility for the determination of the source term, by using a reactivity meter neglecting the source term in first instance. After the determination of the value proportional to the source contribution, this value has been inserted into the algorithm of inverse kinetics, and using neutron detector data during the approach to critical process, the reactivity meter with source term was used to determinate the reactivity in the subcritical domain, after the experiment performing.

Advanced computational tools are applied to simulate a nuclear power plant (NPP) control rod assembly ejection (CRE) accident. The impact of these reactivity-initiated accidents (RIAs) on core reactivity behavior, 3D power distribution and stochastic reactivity estimation are evaluated. The three tools used are: the thermal-hydraulic (TH) RELAP5 (R5) code, the neutronic (NK) PARCS (P3D) code, and the coupled version P3D/R5, with specially developed linkage using the environment code MATLAB. This study considers three different-size cores: NPP1 (2772 MWt); NPP2 (530 MWt); and NPP3 (1061 MWt). The three cores have the same general design and control rod assembly (CRA) positions, and the ejected CRA has similar worth and at the same rod ejection pace. The CRE is assessed under both hot zero power (HZP) and hot full power (HFP) conditions. The analyses indicate that RIA modeling and simulation should be carried out through a systematic coding and configuration approaches, otherwise the results will not capture the true transient behavior of the core under analysis. The simulation of one code depends on the appropriate configuration of parameters generated by the other code and on the correct determination of the TH/NK mapping weight factors for the various mesh regions in each of the models. From the design point of view, the standalone codes predict milder magnitude of power and reactivity increase compared to the coupled P3D/R5 simulation. The magnitudes of reduced peak power and reactivity become larger as the core size shrinks. The HFP simulation shows that the three NPPs have the same transient peak value, but the post-transient steady power is lower for a smaller core. The HZP analysis indicates that the transient peak is lower for the smaller core, but the post-transient power occurs at the same level. The three-dimensional (3D) power distributions are different among the HFP and HZP cases, but do not depend on the size of the core. The results indicate: i) HFP: core power increases in the area surrounding the ejected rod/bank assembly, and this increase becomes lower as the NPPs shrinks however, the power is well-distributed after the transient; and ii) HZP: the area surrounding the CRA stays hotter, but the 3D peak assembly factor becomes lower, during and after the transients, as the NPPs shrinks. These features confirm that the smaller cores yield a safer response to a given inserted reactivity compared to larger cores. A stochastic extended Kalman filter (EKF) algorithm is implemented to estimate the reactivity based on the reactor power profile, after the addition of random noise. The inverse point kinetics (IPK) deterministic method is also implemented and the results of the application of EKF and IPK are compared to the P3D/R5 simulation. The following sophisticated strategies made the EKF algorithm robust and accurate: the system is modeled by a set of continuous time nonlinear stochastic differential equations; the code uses a time step directly based on the power measured and applies that to the model for online discretization and linearization; filter tuning goes automatically up from the first time step; and the state noise covariance matrix is updated online at each time step. It was found that the IPK reactivity has higher noise content compared to the EKF reactivity for all cases. Thus, the EKF presents superior and more accurate results. Furthermore, under a small reactivity insertion, the IPK reactivity varies widely from positive to negative values: this variation is not observed within the EKF. A sensitivity analysis for three distinct standard deviation (SD) noise measurements suggests that EKF is superior to IPK method, independent of the noise load magnitude. As the noise content increases, the error between the IPK and P3D/R5 reactivity also increases. A sensitivity analysis for five distinct carry-over effects of different random noise loads indicates that the random addition of different noise loads to the reactor power does not change the overall performance of both algorithms. / Este trabalho aplica métodos computacionais avançados para simular a ejeção de barras de controle (CRE) em uma planta térmica nuclear (NPP). São avaliados o impacto da ocorrência de acidentes iniciados por reatividade (RIAs) na reatividade total, na distribuição da potência em três dimensões (3D) e na determinação da reatividade. As ferramentas utilizadas são: o código termo-hidráulico (TH) RELAP5 (R5), o código neutrônico (NK) PARCS (P3D), a versão acoplada P3D/R5, e o ambiente computacional MATLAB. Este estudo considera três reatores nucleares de diferentes tamanhos: NPP1 (2772 MWT); NPP2 (530 MWt); e NPP3 (1061 MWt). Os três núcleos possuem projeto similar e idêntica posição dos grupos das barras de controle (CRA), além do mesmo valor de reatividade diferencial das CRA ejetadas e idêntica velocidade de ejeção. A ocorrência da CRE é avaliada sob condições de hot zero power (HZP) e de hot full power (HFP). As análises indicam que a modelagem e a simulação de RIAs devem ser realizadas sistematicamente, caso contrário os resultados não irão refletir o comportamento em regime transitório do núcleo. A simulação de um modelo em um código depende da apropriada configuração de parâmetros gerados pelo outro código e da determinação adequada do mapeamento TH/NK para as várias malhas dos modelos. Do ponto de vista de projeto, a utilização de códigos independentes resulta em cálculos de potência e reatividade conservadores em comparação com os resultados utilizando-se P3D/R5. Os picos de potência e de reatividade são menores à medida que o núcleo encolhe. A simulação em condições de HFP resulta em valores de pico de potência similares durante transitório para as três NPPs, mas a potência de pós-transitórios é menor para o menor núcleo. A análise em condições de HZP também indica que o valor máximo durante o transitório é menor para o menor núcleo, mas o pós-transitórios ocorre aos mesmos níveis de potência das demais NPPS. A distribuição de potência em 3D também apresenta resultados distintos para condições de HFP e HZP, mas tais resultados são independentes do tamanho do núcleo: i) HFP: há um aumento da potência do núcleo em torno da CRE, mas tal comportamento diminui para núcleos menores - no entanto, a potência é bem distribuída após o transitório; e ii) HZP: há aumento de potência na área do CRE, mas o pico de potência em 3D é menor durante e depois dos transitórios para núcleos menores. Tais características indicam que os núcleos menores respondem de forma mais segura quando da inserção de reatividade em comparação a reatores de maiores dimensões. O método estocástico de filtragem de Kalman estendido (EKF) foi codificado para estimar a reatividade com base no perfil de potência da NPP, após a adição de ruído aleatório. O método determinístico da cinética pontual inversa (IPK) também foi implementado e os resultados da aplicação dos algoritmos do EKF e IPK foram comparados com os resultados da simulação do P3D/R5. As seguintes estratégias, implementadas neste trabalho, possibilitaram a aplicação robusta e precisa do EKF: o sistema foi modelado por um conjunto de equações diferenciais não-lineares estocásticas de tempo contínuo; o algoritmo obtém o passo de tempo diretamente da potência medida e aplica-o ao modelo para a discretização e linearização online; o ajuste do filtro ocorre automaticamente a partir do primeiro passo de tempo; e a matriz de covariância do ruído no estado é atualizada online. Verificou-se que a reatividade calculada pelo método IPK possui maior nível de ruído quando comparada ao EKF para todos os casos estudados. Portanto, o EKF apresenta resultados superiores e mais precisos. Além disso, sob uma pequena inserção de reatividade, a reatividade calculada pelo método IPK varia consideravelmente de valores positivos para negativos: esta variação não é observada com o EKF. Uma análise de sensibilidade para três desvios padrão (SD) sugere que o algoritmo EKF é superior ao método IPK, independente da magnitude do ruído. Com o aumento da magnitude do ruído, o erro entre as reatividades calculadas pelo IPK e pelo P3D/R5 aumenta. A análise de sensibilidade para cinco ruídos aleatórios indica que a adição de ruído na potência do reator não altera o desempenho global de ambos os algoritmos.

Advanced computational tools are applied to simulate a nuclear power plant (NPP) control rod assembly ejection (CRE) accident. The impact of these reactivity-initiated accidents (RIAs) on core reactivity behavior, 3D power distribution and stochastic reactivity estimation are evaluated. The three tools used are: the thermal-hydraulic (TH) RELAP5 (R5) code, the neutronic (NK) PARCS (P3D) code, and the coupled version P3D/R5, with specially developed linkage using the environment code MATLAB. This study considers three different-size cores: NPP1 (2772 MWt); NPP2 (530 MWt); and NPP3 (1061 MWt). The three cores have the same general design and control rod assembly (CRA) positions, and the ejected CRA has similar worth and at the same rod ejection pace. The CRE is assessed under both hot zero power (HZP) and hot full power (HFP) conditions. The analyses indicate that RIA modeling and simulation should be carried out through a systematic coding and configuration approaches, otherwise the results will not capture the true transient behavior of the core under analysis. The simulation of one code depends on the appropriate configuration of parameters generated by the other code and on the correct determination of the TH/NK mapping weight factors for the various mesh regions in each of the models. From the design point of view, the standalone codes predict milder magnitude of power and reactivity increase compared to the coupled P3D/R5 simulation. The magnitudes of reduced peak power and reactivity become larger as the core size shrinks. The HFP simulation shows that the three NPPs have the same transient peak value, but the post-transient steady power is lower for a smaller core. The HZP analysis indicates that the transient peak is lower for the smaller core, but the post-transient power occurs at the same level. The three-dimensional (3D) power distributions are different among the HFP and HZP cases, but do not depend on the size of the core. The results indicate: i) HFP: core power increases in the area surrounding the ejected rod/bank assembly, and this increase becomes lower as the NPPs shrinks however, the power is well-distributed after the transient; and ii) HZP: the area surrounding the CRA stays hotter, but the 3D peak assembly factor becomes lower, during and after the transients, as the NPPs shrinks. These features confirm that the smaller cores yield a safer response to a given inserted reactivity compared to larger cores. A stochastic extended Kalman filter (EKF) algorithm is implemented to estimate the reactivity based on the reactor power profile, after the addition of random noise. The inverse point kinetics (IPK) deterministic method is also implemented and the results of the application of EKF and IPK are compared to the P3D/R5 simulation. The following sophisticated strategies made the EKF algorithm robust and accurate: the system is modeled by a set of continuous time nonlinear stochastic differential equations; the code uses a time step directly based on the power measured and applies that to the model for online discretization and linearization; filter tuning goes automatically up from the first time step; and the state noise covariance matrix is updated online at each time step. It was found that the IPK reactivity has higher noise content compared to the EKF reactivity for all cases. Thus, the EKF presents superior and more accurate results. Furthermore, under a small reactivity insertion, the IPK reactivity varies widely from positive to negative values: this variation is not observed within the EKF. A sensitivity analysis for three distinct standard deviation (SD) noise measurements suggests that EKF is superior to IPK method, independent of the noise load magnitude. As the noise content increases, the error between the IPK and P3D/R5 reactivity also increases. A sensitivity analysis for five distinct carry-over effects of different random noise loads indicates that the random addition of different noise loads to the reactor power does not change the overall performance of both algorithms. / Este trabalho aplica métodos computacionais avançados para simular a ejeção de barras de controle (CRE) em uma planta térmica nuclear (NPP). São avaliados o impacto da ocorrência de acidentes iniciados por reatividade (RIAs) na reatividade total, na distribuição da potência em três dimensões (3D) e na determinação da reatividade. As ferramentas utilizadas são: o código termo-hidráulico (TH) RELAP5 (R5), o código neutrônico (NK) PARCS (P3D), a versão acoplada P3D/R5, e o ambiente computacional MATLAB. Este estudo considera três reatores nucleares de diferentes tamanhos: NPP1 (2772 MWT); NPP2 (530 MWt); e NPP3 (1061 MWt). Os três núcleos possuem projeto similar e idêntica posição dos grupos das barras de controle (CRA), além do mesmo valor de reatividade diferencial das CRA ejetadas e idêntica velocidade de ejeção. A ocorrência da CRE é avaliada sob condições de hot zero power (HZP) e de hot full power (HFP). As análises indicam que a modelagem e a simulação de RIAs devem ser realizadas sistematicamente, caso contrário os resultados não irão refletir o comportamento em regime transitório do núcleo. A simulação de um modelo em um código depende da apropriada configuração de parâmetros gerados pelo outro código e da determinação adequada do mapeamento TH/NK para as várias malhas dos modelos. Do ponto de vista de projeto, a utilização de códigos independentes resulta em cálculos de potência e reatividade conservadores em comparação com os resultados utilizando-se P3D/R5. Os picos de potência e de reatividade são menores à medida que o núcleo encolhe. A simulação em condições de HFP resulta em valores de pico de potência similares durante transitório para as três NPPs, mas a potência de pós-transitórios é menor para o menor núcleo. A análise em condições de HZP também indica que o valor máximo durante o transitório é menor para o menor núcleo, mas o pós-transitórios ocorre aos mesmos níveis de potência das demais NPPS. A distribuição de potência em 3D também apresenta resultados distintos para condições de HFP e HZP, mas tais resultados são independentes do tamanho do núcleo: i) HFP: há um aumento da potência do núcleo em torno da CRE, mas tal comportamento diminui para núcleos menores - no entanto, a potência é bem distribuída após o transitório; e ii) HZP: há aumento de potência na área do CRE, mas o pico de potência em 3D é menor durante e depois dos transitórios para núcleos menores. Tais características indicam que os núcleos menores respondem de forma mais segura quando da inserção de reatividade em comparação a reatores de maiores dimensões. O método estocástico de filtragem de Kalman estendido (EKF) foi codificado para estimar a reatividade com base no perfil de potência da NPP, após a adição de ruído aleatório. O método determinístico da cinética pontual inversa (IPK) também foi implementado e os resultados da aplicação dos algoritmos do EKF e IPK foram comparados com os resultados da simulação do P3D/R5. As seguintes estratégias, implementadas neste trabalho, possibilitaram a aplicação robusta e precisa do EKF: o sistema foi modelado por um conjunto de equações diferenciais não-lineares estocásticas de tempo contínuo; o algoritmo obtém o passo de tempo diretamente da potência medida e aplica-o ao modelo para a discretização e linearização online; o ajuste do filtro ocorre automaticamente a partir do primeiro passo de tempo; e a matriz de covariância do ruído no estado é atualizada online. Verificou-se que a reatividade calculada pelo método IPK possui maior nível de ruído quando comparada ao EKF para todos os casos estudados. Portanto, o EKF apresenta resultados superiores e mais precisos. Além disso, sob uma pequena inserção de reatividade, a reatividade calculada pelo método IPK varia consideravelmente de valores positivos para negativos: esta variação não é observada com o EKF. Uma análise de sensibilidade para três desvios padrão (SD) sugere que o algoritmo EKF é superior ao método IPK, independente da magnitude do ruído. Com o aumento da magnitude do ruído, o erro entre as reatividades calculadas pelo IPK e pelo P3D/R5 aumenta. A análise de sensibilidade para cinco ruídos aleatórios indica que a adição de ruído na potência do reator não altera o desempenho global de ambos os algoritmos.

<p>  </p> <p>A <em>digital twin</em> (DT), which keeps track of nuclear reactor history to provide real-time predictions, has been recently proposed for nuclear reactor monitoring. A digital twin can be implemented using either a differential equations-based physics model, or a data-driven machine learning model<strong>. </strong>The principal challenge in physics model-based DT consists of achieving sufficient model fidelity to represent a complex experimental system, while the main challenge in data-driven DT appears in the extensive training requirements and potential lack of predictive ability. </p> <p>In this thesis, we investigate the performance of a hybrid approach, which is based on physics-informed neural networks (PINNs) that encode fundamental physical laws into the loss function of the neural network. In this way, PINNs establish theoretical constraints and biases to supplement measurement data and provide solution to several limitations of purely data-driven machine learning (ML) models. We develop a PINN model to solve the point kinetic equations (PKEs), which are time dependent stiff nonlinear ordinary differential equations that constitute a nuclear reactor reduced-order model under the approximation of ignoring the spatial dependence of the neutron flux. PKEs portray the kinetic behavior of the system, and this kind of approach is the basis for most analyses of reactor systems, except in cases where flux shapes are known to vary with time. This system describes the nuclear parameters such as neutron density concentration, the delayed neutron precursor density concentration and reactivity. Both neutron density and delayed neutron precursor density concentrations are the vital parameters for safety and the transient behavior of the reactor power. </p> <p>The PINN model solution of PKEs is developed to monitor a start-up transient of the Purdue University Reactor Number One (PUR-1) using experimental parameters for the reactivity feedback schedule and the neutron source. The facility under modeling, PUR-1, is a pool type small research reactor located in West Lafayette Indiana. It is an all-digital light water reactor (LWR) submerged into a deep-water pool and has a power output of 10kW. The results demonstrate strong agreement between the PINN solution and finite difference numerical solution of PKEs. We investigate PINNs performance in both data interpolation and extrapolation. </p> <p>The findings of this thesis research indicate that the PINN model achieved highest performance and lowest errors in data interpolation. In the case of extrapolation data, three different test cases were considered, the first where the extrapolation is performed in a five-seconds interval, the second where the extrapolation is performed in a 10-seconds interval, and the third where the extrapolation is performed in a 15-seconds interval. The extrapolation errors are comparable to those of interpolation predictions. Extrapolation accuracy decreases with increasing time interval.</p>