Este trabalho apresenta um estudo teórico sobre a cinética de reatores focando à metodologia de cálculo e às medidas experimentais dos chamados parâmetros cinéticos para sistemas subcríticos acionados por fontes. São apresentadas, por motivo de comparação, duas metodologias de cálculo dos parâmetros cinéticos: a metodologia baseada no formalismo de Dulla, e a clássica. O objetivo é mostrar a dependência desses parâmetros com o grau de subcriticalidade e a perturbação. Foram considerados um sistema rápido e um térmico, ambos de tipo placa e de meio homogêneo. O modelo utilizado foi de difusão e as soluções foram obtidas usando o método de expansão, considerando 1 grupo de energia e 1 família de precursores para o sistema rápido, e 2 grupos de energia e 1 família de precursores para o sistema térmico. São apresentadas, também, descrições dos principais métodos de medidas experimentais dos parâmetros cinéticos, i.e., métodos estáticos e de fonte pulsada, visando levantar a discussão sobre a compatibilidade desses método na região de subcriticalidade / This work presents a theoretical study of reactor kinetics focusing on the methodology of calculation and the experimental measurements of the so-called kinetic parameters. A comparison between the methodology based on the Dulla´s formalism and the classical method is made. The objective is to exhibit the dependence of the parameters on subcriticality level and perturbation. Two different slab type systems were considered: thermal one and fast one, both with homogeneous media. One group diffusion model was used for the fast reactor, and for the thermal system, two groups diffusion model, considering, in both case, only one precursor´s family. The solutions were obtained using the expansion method. Also, descriptions of the main experimental methods of measurements of the kinetic parameters are presented in order to put a question about the compatibility of these methods in subcritical region.

Este trabalho apresenta um estudo teórico sobre a cinética de reatores focando à metodologia de cálculo e às medidas experimentais dos chamados parâmetros cinéticos para sistemas subcríticos acionados por fontes. São apresentadas, por motivo de comparação, duas metodologias de cálculo dos parâmetros cinéticos: a metodologia baseada no formalismo de Dulla, e a clássica. O objetivo é mostrar a dependência desses parâmetros com o grau de subcriticalidade e a perturbação. Foram considerados um sistema rápido e um térmico, ambos de tipo placa e de meio homogêneo. O modelo utilizado foi de difusão e as soluções foram obtidas usando o método de expansão, considerando 1 grupo de energia e 1 família de precursores para o sistema rápido, e 2 grupos de energia e 1 família de precursores para o sistema térmico. São apresentadas, também, descrições dos principais métodos de medidas experimentais dos parâmetros cinéticos, i.e., métodos estáticos e de fonte pulsada, visando levantar a discussão sobre a compatibilidade desses método na região de subcriticalidade / This work presents a theoretical study of reactor kinetics focusing on the methodology of calculation and the experimental measurements of the so-called kinetic parameters. A comparison between the methodology based on the Dulla´s formalism and the classical method is made. The objective is to exhibit the dependence of the parameters on subcriticality level and perturbation. Two different slab type systems were considered: thermal one and fast one, both with homogeneous media. One group diffusion model was used for the fast reactor, and for the thermal system, two groups diffusion model, considering, in both case, only one precursor´s family. The solutions were obtained using the expansion method. Also, descriptions of the main experimental methods of measurements of the kinetic parameters are presented in order to put a question about the compatibility of these methods in subcritical region.

O presente trabalho visa contribuir com o desenvolvimento sistemático de novas metodologias experimentais da medida da reatividade de arranjos físseis subcríticos, utilizando: estatísticas de alta ordem das contagens de nêutrons com detectores no modo pulso, o recente conceito de reatividade generalizada, e as instalações do reator IPEN/MB-01. Este trabalho reuniu em um só texto diversos aspectos da implementação destes tipos de medidas. Diferentemente das demais técnicas utilizadas nas medidas da reatividade subcrítica, as metodologias apresentadas neste trabalho tem o potencial para permitir a medida experimental da reatividade subcrítica sem a necessidade da estimativa prévia de quaisquer outros parâmetros cinéticos, obtidos de forma teórica ou experimental, calibração de fontes externas ou detectores.A princípio, os métodos estatísticos de alta ordem das contagens de nêutrons permitem obter diretamente o valor da subcriticalidade (ou o fator de multiplicação) de um arranjo físsil, independentemente do modelo de física subcrítica utilizado, sem a utilização de infra-estrutura diferenciada (como uma fonte pulsada de nêutrons), sendo uma extensão natural das metodologias que utilizam estatísticas de ordens inferiores - por exemplo, Feymann-. E este conteúdo estatístico diferenciado dos momentos de altas ordens das contagens de nêutrons, o principal motivador da implementação deste trabalho. Apesar de suas potencialidades, a implementação experimental do método esbarra no tempo e taxa de aquisição de dados; ou seja, na quantidade de conteúdo estatístico necessária para a obtenção de medida útil. Exatamente esta dificuldade impediu a obtenção de uma medida útil/prática nas instalações do reator IPEN/MB-01. Existem, entretanto, outras formas de explorar estatísticas ordem superior. Por exemplo, uma extensão do método de Rossi- sugerida neste trabalho pode utilizar auto bi-correlações (coincidências triplas não acidentais de contagens). A despeito do alto valor das incertezas, os aspectos estatísticos fundamentais de uma medida foram preservados nos métodos empregados neste trabalho. O método das auto bicorrelações é conceitualmente mais robusto contra as influências do tempo morto do sistema de aquisição de dados. Ao longo de sua execução, o presente trabalho visou preencher algumas lacunas de procedimentos experimentais aparentemente pouco abordadas por outros autores, permitindo estabelecer métodos estatisticamente mais rigorosos. Entre as contribuições neste sentido destacam-se, entre outras, as correções por tempo morto ou as geradas pela correlação entre os parâmetros estatísticos em tela. Do ponto de vista teórico, este trabalho sugere duas maneiras originais de abordar o mesmo problema da utilização de estatísticas de altas ordens: (a) auto bicorrelações; e (2) os biespectros de densidade de espectral de potência própria, sendo o primeiro explorado experimentalmente/estatisticamente em detalhes. / The present work aims to contribute to the systematic development of new experimental methods of measuring the reactivity of any subcritical fissile arrangements using: high-order statistics of neutron counts from neutron detectors working in pulse mode, the recent concept general reactivity, and the IPEN/MB-01 facility. This thesis brought together in a single text various aspects concerning the proper implementation of these types of measures. Unlike other techniques used in measurements of subcritical reactivity, the methodologies presented in this thesis has the potential to allow the experimental measurement of subcritical reactivity without the prior estimate of any other kinetic parameters, obtained from experiments or from theoretical considerations, external sources calibrations or detectors e ciency measurements. At first, the high-order statistical methods of neutron counts allow to obtain directly the value of the subcriticality (or multiplication factor) from an fissile arrangement regardless the type of subcritical physical theory, and also without the use of unusual infrastructure (such as a pulsed neutron source). These methods are a natural extension of those that use lower order statistics - for example, Feymann-. The greater information content in high order statistics of neutron counting is the main reason for the implementation of this work. Despite its potential, the experimental implementation of the method found huge problems concerning acquisition time and rate of data acquisition. This difficulty overcome any effort in order to obtain a useful measurement inside the IPEN/MB-01 nuclear reactor (a critical facility). However, there are other ways to exploit higher order statistics. For example, an extension of the Rossi- method suggested in this thesis used self bicorrelations. Though the high variance values of obtained results, the fundamental statistical requirements of a measurement were preserved, once the proposed methodologies are observed. It was proposed a methodology to handle dead time issues, in order to allow one to carry out measurement at higher detection rates. Throughout its execution, this thesis aimed to fulfill some gaps in the experimental procedures apparently not addressed by other authors, allowing the establishment of more rigorous statistical procedures. Regarding those contributions, dead time corrections stands out together with the concerning for correlation treatment between the statistical parameters. From the theoretical point of view, this thesis suggests two new ways to address the same problem of using high order statistics of neutron detections in pulse mode: (1) self-bicorrelations, and (2) self-bispectra (power spectral density in two axis). The first was experimentally tested and exhaustively detailed, the second one was only suggested as a theoretical speculation to be confronted against experimental evidence

O presente trabalho visa contribuir com o desenvolvimento sistemático de novas metodologias experimentais da medida da reatividade de arranjos físseis subcríticos, utilizando: estatísticas de alta ordem das contagens de nêutrons com detectores no modo pulso, o recente conceito de reatividade generalizada, e as instalações do reator IPEN/MB-01. Este trabalho reuniu em um só texto diversos aspectos da implementação destes tipos de medidas. Diferentemente das demais técnicas utilizadas nas medidas da reatividade subcrítica, as metodologias apresentadas neste trabalho tem o potencial para permitir a medida experimental da reatividade subcrítica sem a necessidade da estimativa prévia de quaisquer outros parâmetros cinéticos, obtidos de forma teórica ou experimental, calibração de fontes externas ou detectores.A princípio, os métodos estatísticos de alta ordem das contagens de nêutrons permitem obter diretamente o valor da subcriticalidade (ou o fator de multiplicação) de um arranjo físsil, independentemente do modelo de física subcrítica utilizado, sem a utilização de infra-estrutura diferenciada (como uma fonte pulsada de nêutrons), sendo uma extensão natural das metodologias que utilizam estatísticas de ordens inferiores - por exemplo, Feymann-. E este conteúdo estatístico diferenciado dos momentos de altas ordens das contagens de nêutrons, o principal motivador da implementação deste trabalho. Apesar de suas potencialidades, a implementação experimental do método esbarra no tempo e taxa de aquisição de dados; ou seja, na quantidade de conteúdo estatístico necessária para a obtenção de medida útil. Exatamente esta dificuldade impediu a obtenção de uma medida útil/prática nas instalações do reator IPEN/MB-01. Existem, entretanto, outras formas de explorar estatísticas ordem superior. Por exemplo, uma extensão do método de Rossi- sugerida neste trabalho pode utilizar auto bi-correlações (coincidências triplas não acidentais de contagens). A despeito do alto valor das incertezas, os aspectos estatísticos fundamentais de uma medida foram preservados nos métodos empregados neste trabalho. O método das auto bicorrelações é conceitualmente mais robusto contra as influências do tempo morto do sistema de aquisição de dados. Ao longo de sua execução, o presente trabalho visou preencher algumas lacunas de procedimentos experimentais aparentemente pouco abordadas por outros autores, permitindo estabelecer métodos estatisticamente mais rigorosos. Entre as contribuições neste sentido destacam-se, entre outras, as correções por tempo morto ou as geradas pela correlação entre os parâmetros estatísticos em tela. Do ponto de vista teórico, este trabalho sugere duas maneiras originais de abordar o mesmo problema da utilização de estatísticas de altas ordens: (a) auto bicorrelações; e (2) os biespectros de densidade de espectral de potência própria, sendo o primeiro explorado experimentalmente/estatisticamente em detalhes. / The present work aims to contribute to the systematic development of new experimental methods of measuring the reactivity of any subcritical fissile arrangements using: high-order statistics of neutron counts from neutron detectors working in pulse mode, the recent concept general reactivity, and the IPEN/MB-01 facility. This thesis brought together in a single text various aspects concerning the proper implementation of these types of measures. Unlike other techniques used in measurements of subcritical reactivity, the methodologies presented in this thesis has the potential to allow the experimental measurement of subcritical reactivity without the prior estimate of any other kinetic parameters, obtained from experiments or from theoretical considerations, external sources calibrations or detectors e ciency measurements. At first, the high-order statistical methods of neutron counts allow to obtain directly the value of the subcriticality (or multiplication factor) from an fissile arrangement regardless the type of subcritical physical theory, and also without the use of unusual infrastructure (such as a pulsed neutron source). These methods are a natural extension of those that use lower order statistics - for example, Feymann-. The greater information content in high order statistics of neutron counting is the main reason for the implementation of this work. Despite its potential, the experimental implementation of the method found huge problems concerning acquisition time and rate of data acquisition. This difficulty overcome any effort in order to obtain a useful measurement inside the IPEN/MB-01 nuclear reactor (a critical facility). However, there are other ways to exploit higher order statistics. For example, an extension of the Rossi- method suggested in this thesis used self bicorrelations. Though the high variance values of obtained results, the fundamental statistical requirements of a measurement were preserved, once the proposed methodologies are observed. It was proposed a methodology to handle dead time issues, in order to allow one to carry out measurement at higher detection rates. Throughout its execution, this thesis aimed to fulfill some gaps in the experimental procedures apparently not addressed by other authors, allowing the establishment of more rigorous statistical procedures. Regarding those contributions, dead time corrections stands out together with the concerning for correlation treatment between the statistical parameters. From the theoretical point of view, this thesis suggests two new ways to address the same problem of using high order statistics of neutron detections in pulse mode: (1) self-bicorrelations, and (2) self-bispectra (power spectral density in two axis). The first was experimentally tested and exhaustively detailed, the second one was only suggested as a theoretical speculation to be confronted against experimental evidence

Este trabalho apresenta uma nova abordagem experimental para determinar a reatividade de sistemas subcríticos. O método a ser apresentado utiliza o modelo da cinética subcrítica desenvolvido por Gandini e Salvatores e baseia-se apenas em grandezas medidas, tais como a taxa de contagem no detector, e nos parâmetros que surgem do ajuste dos mínimos quadrados APSD (Auto Power Spectral Density) e CPSD (Cross Power Spectral Density), não sendo necessário lidar com as quantidades de maior complexidade como a eficiência de detector. A única hipótese feita neste método foi que a fração efetiva de nêutrons atrasados e o tempo de geração de nêutrons prontos fossem independentes do nível de subcriticalidade do sistema. O método proposto foi aplicado nas medidas de reatividade de várias configurações subcríticas do reator IPEN/MB-01. Foram realizadas medidas da APSD e CPSD em diversos graus de subcriticalidade (até em torno de -7000 pcm). Nos dados das densidades espectrais foram feitos ajustes por meio do método de mínimos quadrados para obter a constante de decaimento pronto (α) e outras grandezas. Com a finalide de melhorar as estatísticas de contagem de nêutrons, fonte externa de nêutrons de Am-Be foi instalada próximo ao núcleo, além da fonte de partida. O método experimental proposto mostra claramente que, a teoria da cinética pontual clássica não descreve a reatividade medida. Em vez disso, a reatividade inferida a partir do modelo da cinética pontual clássica é próxima, em seus valores absolutos, ao índice de subcriticalidade (ζ) para um determinado arranjo das fontes do experimeno. A concordância dos resultados obtidos por MCNP5 e GPT-TORT, ambos utilizando os dados nucleares da biblioteca ENDF/B-VII.0, com os resultados experimentais correspondentes são de boa qualidade. / This work presents a new experimental approach to determine the reactivity levels of subcritical systems. The method employs the subcritical kinetic model developed by Gandini and Salvatores and it is based only on measured quantities such as counting rates of the detectors employed in the experiments and the parameters arising from the least squares fitting of the APSD (Auto Power Spectral Density) and CPSD (Cross Power Spectral Density). Detector efficiencies, quantity required in other procedures such as Neutron Source Multiplication (NSM) method, are not needed in the proposed method. The only hypothesis made in the method was the independence of the effective delayed neutron fraction and the prompt neutron generation time to the subcriticality level of the system. The proposed method was applied to measure the reactivity of several subcritical configurations of the IPEN/MB-01 reactor. Measurements of APSD and CPSD were performed in several degrees of subcriticality (up to around -7000 pcm). The spectral densities data were least squares fitted to get the prompt decay mode (α) and other quantities. Beside the startup source of the facility, an external neutron source of Am-Be was installed near the core in order to improve neutron counting statistics. The final experimental results are of good quality. The proposed experimental method shows clearly that the classical point kinetic theory cannot describe the measured reactivity. Instead, the reactivity inferred from this model follows closely the subcriticality index (ζ) for the source arrangements in the experiment. The agreement of the MCNP5 and GPT-TORT results, both with ENDF/B-VII.0 as the basic nuclear data library, when compared to the corresponding experimental ones was also good.

Este trabalho apresenta uma nova abordagem experimental para determinar a reatividade de sistemas subcríticos. O método a ser apresentado utiliza o modelo da cinética subcrítica desenvolvido por Gandini e Salvatores e baseia-se apenas em grandezas medidas, tais como a taxa de contagem no detector, e nos parâmetros que surgem do ajuste dos mínimos quadrados APSD (Auto Power Spectral Density) e CPSD (Cross Power Spectral Density), não sendo necessário lidar com as quantidades de maior complexidade como a eficiência de detector. A única hipótese feita neste método foi que a fração efetiva de nêutrons atrasados e o tempo de geração de nêutrons prontos fossem independentes do nível de subcriticalidade do sistema. O método proposto foi aplicado nas medidas de reatividade de várias configurações subcríticas do reator IPEN/MB-01. Foram realizadas medidas da APSD e CPSD em diversos graus de subcriticalidade (até em torno de -7000 pcm). Nos dados das densidades espectrais foram feitos ajustes por meio do método de mínimos quadrados para obter a constante de decaimento pronto (α) e outras grandezas. Com a finalide de melhorar as estatísticas de contagem de nêutrons, fonte externa de nêutrons de Am-Be foi instalada próximo ao núcleo, além da fonte de partida. O método experimental proposto mostra claramente que, a teoria da cinética pontual clássica não descreve a reatividade medida. Em vez disso, a reatividade inferida a partir do modelo da cinética pontual clássica é próxima, em seus valores absolutos, ao índice de subcriticalidade (ζ) para um determinado arranjo das fontes do experimeno. A concordância dos resultados obtidos por MCNP5 e GPT-TORT, ambos utilizando os dados nucleares da biblioteca ENDF/B-VII.0, com os resultados experimentais correspondentes são de boa qualidade. / This work presents a new experimental approach to determine the reactivity levels of subcritical systems. The method employs the subcritical kinetic model developed by Gandini and Salvatores and it is based only on measured quantities such as counting rates of the detectors employed in the experiments and the parameters arising from the least squares fitting of the APSD (Auto Power Spectral Density) and CPSD (Cross Power Spectral Density). Detector efficiencies, quantity required in other procedures such as Neutron Source Multiplication (NSM) method, are not needed in the proposed method. The only hypothesis made in the method was the independence of the effective delayed neutron fraction and the prompt neutron generation time to the subcriticality level of the system. The proposed method was applied to measure the reactivity of several subcritical configurations of the IPEN/MB-01 reactor. Measurements of APSD and CPSD were performed in several degrees of subcriticality (up to around -7000 pcm). The spectral densities data were least squares fitted to get the prompt decay mode (α) and other quantities. Beside the startup source of the facility, an external neutron source of Am-Be was installed near the core in order to improve neutron counting statistics. The final experimental results are of good quality. The proposed experimental method shows clearly that the classical point kinetic theory cannot describe the measured reactivity. Instead, the reactivity inferred from this model follows closely the subcriticality index (ζ) for the source arrangements in the experiment. The agreement of the MCNP5 and GPT-TORT results, both with ENDF/B-VII.0 as the basic nuclear data library, when compared to the corresponding experimental ones was also good.