Nuclear Archaeology: Reconstructing Past Fissile Material Production

Präsentation zum Thema: "Nuclear Archaeology: Reconstructing Past Fissile Material Production"—  Präsentation transkript:

1 Nuclear Archaeology: Reconstructing Past Fissile Material Production
Prof. Malte Göttsche, Antonio Figueroa Nuclear Verification and Disarmament Group AICES Graduate School, Physics Institute III B RWTH Aachen University Paris, 11 July 2017

2 Introduction How to build confidence in the correctness and completeness of initial fissile material declarations? South Africa 1993 This is how difficult it is for inspectors to verify. Let us see how difficult it is for material-possessing states themselves. North Korea 2008

3 Approach: Nuclear Archaeology
Reprocessing plant Reprocessing waste Archived records: - Facility designs - Facility operations - Material inventories and transfers Issues Uncertain data Missing data False data Enrichment plant Reactor

4 Fuel cycle simulations will play important role, here!
Integrated nuclear archaeology Reprocessing plant Reprocessing waste Archived records: - Facility designs - Facility operations - Material inventories and transfers Fuel cycle simulations will play important role, here! Integrated approach to obtain final estimate Enrichment plant Reactor Develop new inverse model: Combine different measurements and information into integrated assessment Quantify and reduce Pu production uncertainty by exploiting all information sources Identify data inconsistencies by cross-checking data and resolve them

5 Documentation Reactor measurements Fluence ϕ 𝑑𝑡= ϕ 𝑡 Total Pu production: 𝑥 ±𝑦 𝑘𝑔

6 Reactor archaeology Heavy water reactor Savannah River Site:
1.1% U-235 SERPENT 2 model

7 Reactor archaeology 48 𝑇𝑖 (𝑛,𝛾) 49 𝑇𝑖 (𝑛,𝛾) 50 𝑇𝑖 Lifetime 1e23
48 𝑇𝑖 (𝑛,𝛾) 𝑇𝑖 (𝑛,𝛾) 𝑇𝑖 1e23 Lifetime Spektrum. Einerseits entsteht Plutonium, andererseits gibt es Neutronenaktivierung. Verhältns abhängig vom Spektrum. Ti ratios zeigen fleunce an. Abhängigkeit hängt von (durchschittlichem) Neutronenspektrum ab. Neutronenfluenz zeigt Pu-Produktion an. Hängt ebenfalfalls vom Neutronenspektrum ab, sowie dem discharge burnup, enrichment, (wo gehen Temperature und Power ein?) Show plot fluene(Ti ratio) Show plot Pu(fluence). Zunächst einfache, dann Werte über gesamten Parameterraum.

8 Reactor archaeology 238 𝑈 (𝑛,𝛾) 𝑈 𝛽 − 𝑁𝑝 𝛽 − 𝑃𝑢 (𝑛,𝛾) 𝑃𝑢 We use average flux here as an approximation!! 1e21 One batch

9 Reactor archaeology Spektrum. Einerseits entsteht Plutonium, andererseits gibt es Neutronenaktivierung. Verhältns abhängig vom Spektrum. Ti ratios zeigen fleunce an. Abhängigkeit hängt von (durchschittlichem) Neutronenspektrum ab. Neutronenfluenz zeigt Pu-Produktion an. Hängt ebenfalfalls vom Neutronenspektrum ab, sowie dem discharge burnup, enrichment, (wo gehen Temperature und Power ein?) Show plot fluene(Ti ratio) Show plot Pu(fluence). Zunächst einfache, dann Werte über gesamten Parameterraum.

10 Reactor archaeology uncertainties
Nuclear data Reactor design Operational parameters Model approximations Measurement uncertainties Spektrum. Einerseits entsteht Plutonium, andererseits gibt es Neutronenaktivierung. Verhältns abhängig vom Spektrum. Ti ratios zeigen fleunce an. Abhängigkeit hängt von (durchschittlichem) Neutronenspektrum ab. Neutronenfluenz zeigt Pu-Produktion an. Hängt ebenfalfalls vom Neutronenspektrum ab, sowie dem discharge burnup, enrichment, (wo gehen Temperature und Power ein?) Show plot fluene(Ti ratio) Show plot Pu(fluence). Zunächst einfache, dann Werte über gesamten Parameterraum.

11 Simulated parameter space
Operational data Enrichment – 1.15 U-235 % Power – 2500 MW Fuel discharge burnup/fluence 0.5 – 2.0 MWd/kgHM Temperature – 380 K Spektrum. Einerseits entsteht Plutonium, andererseits gibt es Neutronenaktivierung. Verhältns abhängig vom Spektrum. Ti ratios zeigen fleunce an. Abhängigkeit hängt von (durchschittlichem) Neutronenspektrum ab. Neutronenfluenz zeigt Pu-Produktion an. Hängt ebenfalfalls vom Neutronenspektrum ab, sowie dem discharge burnup, enrichment, (wo gehen Temperature und Power ein?) Show plot fluene(Ti ratio) Show plot Pu(fluence). Zunächst einfache, dann Werte über gesamten Parameterraum.

12 Results Spektrum. Einerseits entsteht Plutonium, andererseits gibt es Neutronenaktivierung. Verhältns abhängig vom Spektrum. Ti ratios zeigen fleunce an. Abhängigkeit hängt von (durchschittlichem) Neutronenspektrum ab. Neutronenfluenz zeigt Pu-Produktion an. Hängt ebenfalfalls vom Neutronenspektrum ab, sowie dem discharge burnup, enrichment, (wo gehen Temperature und Power ein?) Show plot fluene(Ti ratio) Show plot Pu(fluence). Zunächst einfache, dann Werte über gesamten Parameterraum.

13 Calculated probability distribution
Spektrum. Einerseits entsteht Plutonium, andererseits gibt es Neutronenaktivierung. Verhältns abhängig vom Spektrum. Ti ratios zeigen fleunce an. Abhängigkeit hängt von (durchschittlichem) Neutronenspektrum ab. Neutronenfluenz zeigt Pu-Produktion an. Hängt ebenfalfalls vom Neutronenspektrum ab, sowie dem discharge burnup, enrichment, (wo gehen Temperature und Power ein?) Show plot fluene(Ti ratio) Show plot Pu(fluence). Zunächst einfache, dann Werte über gesamten Parameterraum. How to reduce this uncertainty ? … Hang on.

14 Discharge burnup/fluence
Documentation Reactor measurements Reactor parameters: Discharge burnup/fluence Power Fuel enrichment Temperature Cooling time Fluence ϕ 𝑑𝑡= ϕ 𝑡 Total Pu production: 𝑥 ±𝑦 𝑘𝑔

15 Availability of reactor samples
Spektrum. Einerseits entsteht Plutonium, andererseits gibt es Neutronenaktivierung. Verhältns abhängig vom Spektrum. Ti ratios zeigen fleunce an. Abhängigkeit hängt von (durchschittlichem) Neutronenspektrum ab. Neutronenfluenz zeigt Pu-Produktion an. Hängt ebenfalfalls vom Neutronenspektrum ab, sowie dem discharge burnup, enrichment, (wo gehen Temperature und Power ein?) Show plot fluene(Ti ratio) Show plot Pu(fluence). Zunächst einfache, dann Werte über gesamten Parameterraum. Graphite-moderated reactor Heavy water reactor (NRX designs) Other designs? Dismantled reactors?

16 Discharge burnup/fluence Power Fuel enrichment Temperature
Documentation Waste measurements Reactor measurements Reactor parameters: Discharge burnup/fluence Power Fuel enrichment Temperature Cooling time Total waste nuclide mass Fluence ϕ 𝑑𝑡= ϕ 𝑡 Total Pu production: 𝑥 ±𝑦 𝑘𝑔

17 Waste archaeology Total nuclide mass
Plutonium and uranium are separated, but the others are not. Pu Pu-240 Cs Sr-90 1e21 Need knowledge on cooling time

18 Discharge burnup/fluence Power Fuel enrichment Temperature
Documentation Waste measurements Reactor measurements Waste isotopics Reactor parameters: Discharge burnup/fluence Power Fuel enrichment Temperature Cooling time Total waste nuclide mass Fluence ϕ 𝑑𝑡= ϕ 𝑡 Total Pu production: 𝑥 ±𝑦 𝑘𝑔

19 Waste archaeology Isotopics
& Cooling time Temperature Enrichment etc. (?) Input parameters ? 𝑵 : Sr-90 Cs-137 … and more Output parameters

20 Waste archaeology Isotopics
Forward-simulations Hyperspace of Measured isotpes reactor parameters Hyperspace of Function learning, e.g. Gaussian process regression to better understand the problem

21 Waste archaeology Isotopics
reactor parameters Hyperspace of Hyperspace of Measured isotpes How to solve the inverse problem? Is it necessary and feasible to calculate probability distribution of input parameters (and subsequent propagation to Pu estimate)?

22 Discharge burnup/fluence Power Fuel enrichment Temperature
Documentation Waste measurements Reactor measurements Waste isotopics Reactor parameters: Discharge burnup/fluence Power Fuel enrichment Temperature Cooling time Total waste nuclide mass Fluence ϕ 𝑑𝑡= ϕ 𝑡 Total Pu production: 𝑥 ±𝑦 𝑘𝑔

23 Integrated approach: Complex histories
Several reactors, changing operations over time, perhaps frequently Impossible to reconstruct based on measurements alone Documentation issues False data Missing data Develop the inverse model for the integrated assessment How to cross-check for inconsistencies and resolve them? How to combine assessments to quantify and decrease uncertainties? Open Postdoc position ! Fuel cycle simulations covering all stages will be required here!

24 Thank you for your attention.
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