Scientia et Technica Año XXVIII, Vol. 29, No. 04, octubre-diciembre de 2024. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701 y ISSN-e: 2344-7214 167
Abstract Nuclear reactivity and neutron population
density are critical parameters for quantifying and
describing the behavior of a nuclear reactor. Accurate
knowledge of reactivity is essential for the safe control and
operation of a reactor. Various approaches and methods
for calculating reactivity are reported in the literature. In
this paper, we propose using the Euler-Maclaurin formula
to numerically solve reactivity through the inverse point
kinetics equation, a key model in the design of digital
reactivity meters. By approximating an integral as a sum
in the expansion of a continuous integral into a discrete
version, and considering only the first three Bernoulli
numbers while reducing higher-order derivatives, we
derive a model to calculate nuclear reactivity as a function
of neutron population density and physical constants in
thermal reactors using uranium as nuclear fuel.
Index Terms— Bernoulli numbers; Euler-Maclaurin formula;
Neutron density; Nuclear reactivity; Nuclear reactor; Numerical
simulation.
Resumen—La reactividad nuclear y la densidad de la población
de neutrones son los parámetros más significativos al momento
de cuantificar y describir físicamente el comportamiento de un
reactor nuclear. Conocer el valor de la reactividad con suficiente
precisión permite realizar el control y la operación segura de un
reactor nuclear. Existen varios enfoques y métodos para calcular
la reactividad reportados en la literatura. Sin embargo, en este
artículo se propone usar la fórmula de Euler-Maclaurin para la
solución numérica de la reactividad mediante la ecuación inversa
de la cinética puntual que ha sido un modelo clave en el diseño de
medidores de reactividad digital. Considerando la aproximación
de una integral como una suma, en el desarrollo de la expansión
de la integral continua en una versión discreta y tomando en
cuenta únicamente los tres primeros números de Bernoulli y una
Este manuscrito fue enviado el día 11 agosto, 2023, aceptado el 10 de
septiembre de 2024 y publicado el 20 de diciembre del 2024
Este artículo fue desarrollado con el apoyo financiero de la Universidad
Surcolombiana.
Daniel Suescún Díaz es un investigador del grupo de Física aplicada,
FIASUR de la Universidad surcolombiana, Neiva, Colombia. (e-mail:
daniel.suescun@usco.edu.co).
Geraldyne Ule Duque es una investigadora del grupo de Física aplicada,
FIASUR de la Universidad surcolombiana, Neiva, Colombia. (e-mail:
geraldinu525@gmail.com).
Diego Peña Lara es un investigador del grupo de Transiciones de Fase y
Materiales Funcionales de la Universidad del Valle, Cali, Colombia. (e-mail:
diego.pena@correounivalle.edu.co).
aproximación que reduce las derivadas de mayor orden, es
posible deducir un modelo que permite el cálculo de la
reactividad nuclear en función de la densidad de la población de
neutrones y de las constantes física en reactores térmicos que
usan uranio como combustible nuclear.
Palabras claves— Números de Bernoulli; Formula Euler-
Maclaurin; Densidad de neutrones; reactividad nuclear; Reactor
nuclear; Simulación numérica.
I. INTRODUCCIÓN
no de los retos de la actualidad es producir electricidad para el
desarrollo económico de los pueblos sin aumentar el
calentamiento global del planeta, un camino para lograrlo es
mediante la energía nuclear que se obtiene a partir de los
núcleos atómicos en un proceso conocido como fisión nuclear.
En esta reacción nuclear se liberan alrededor de 200 MeV con
una producción de varios neutrones, los cuales van a producir
nuevas fisiones. Para una reacción en cadena controlada es
necesario un reactor nuclear [1]. Para dicho control, es
necesario conocer con mayor precisión un parámetro llamado
reactividad obtenida a partir de una forma conocida de la
densidad de neutrones.
Diferentes métodos experimentales y numéricos se utilizan
para estimar y calcular la reactividad, este valor se calcula con
la ecuación inversa de la cinética puntual, la cual es una
ecuación integro diferencial que tiene asociada a la parte
diferencial el periodo del reactor y la parte integral contiene
todos los valores de la densidad de la población de neutrones.
A lo largo de la historia de los reactores nucleares se han
llevado a cabo diferentes estudios para calcular la reactividad,
un trabajo pionero usa diferencias finitas con el filtro pasa-
bajo [2]. Otro trabajo usa un método estadístico para
determinar la fuente de neutrones [3]. Posteriormente, se
presenta un método que puede calcular la reactividad en
tiempo real con una aproximación lineal [4]. Análogamente,
se propone una medición de la reactividad en tiempo real [5].
El método conocido como memorial índex se presenta para el
cálculo de la reactividad [6]. Así mismo, se publicó un nuevo
método usando los polinomios de Lagrange de tercero y
quinto orden de precisión [7]. La serie de Euler-Maclaurin es
usada para el cálculo de la reactividad con una buena
aproximación [8]. Otro método para el cálculo de la
reactividad emplea un pronóstico-corrección de alta precisión
Hamming [9]. En otros métodos se hace uso de la
Solución Numérica de la Reactividad en
Reactores Nucleares
Numerical Solution of Reactivity for Nuclear Reactors
D. Suescún-Díaz ; G. Ule-Duque ; D. Peña-Lara
DOI: https://doi.org/10.22517/23447214.25438
Scientific and technological research paper
U
168 Scientia et Technica Año XXVIII, Vol. 29, No. 04, octubre-diciembre de 2024. Universidad Tecnológica de Pereira.
transformada wavelet [10], el uso de transporte hibrido [11], y
la reconstrucción de la reactividad por medio de detectores de
neutrones [12]. Un trabajo más reciente con mayor precisión
en el cálculo de la reactividad se presenta [13], allí se
discretiza la integral que contiene la dependencia de la
densidad de neutrones en la ecuación inversa de la cinética
puntual con infinitos números de Bernoulli.
En este trabajo se discretiza la dependencia de la densidad
de neutrones mediante la fórmula de Euler-Maclaurin y se
hace una aproximación únicamente con los tres primeros
números de Bernoulli resultado en una expresión donde la
corrección tiene características especiales como es el carácter
recursivo.
II. ASPECTOS TEÓRICOS
La seguridad en la generación de energía a partir de la fisión
nuclear es de vital importancia por lo que los modelos
computacionales que se utilicen para medir, modelar y/o
simular el comportamiento de un reactor nuclear deben
aproximarse en gran medida al comportamiento real. Para
esto, se parte de las ecuaciones de la cinética puntual que son
un conjunto de siete ecuaciones fuertemente acopladas que
describen la evolución temporal de la densidad de neutrones.
Están descritas por las siguientes ecuaciones [14]:
6
1
( ) ( )
( ) ( )
i i
i
dP t t
P t C t
dt
l
=
r -b
é ù
= +
ê ú
L
ë û
å
(1)
( )
( ); 1,2,...,6
i i
i i
dC t
C t P t i
dt
b
l
+ ( ) = =
L
(1)
donde, P es la densidad del neutrón, C
i
es la concentración del
i-ésimo grupo de neutrones atrasados, ρ es la reactividad, Λ es
el tiempo de generación de neutrones instantáneos, β
i
es la
fracción efectiva del i-ésimo grupo de neutrones atrasados, β
es la fracción total de neutrones atrasados, λ
i
es la constante de
decaimiento del i-ésimo grupo de neutrones atrasados.
Las ecuaciones (1) y (2) están sujetas a unas condiciones
iniciales, las cuales hacen que para un tiempo inicial t=0 la
reactividad sea nula, esto indica que el reactor está en estado
de criticidad. Al resolver (2) por cualquier método de solución
de ecuaciones diferenciales, y despejar la reactividad en (1),
considerando las condiciones iniciales mencionadas
anteriormente, se obtiene la expresión de la ecuación inversa
de la cinética puntual.
6
1
6
( )
0
1
( ) (0)
( )
( ) ( )
1
( )
( )
t
i
i
i
t
t t
i
i i
i
dP t P
t e
P t dt P t
e P t dt
P t
l
l
r b b
l b
-
=
¢
- -
=
L
= + -
¢
-
å
å
ò
(2)
La ecuación (3) tiene dependencia de la densidad de la
población de neutrones, lo cual hace que su implementación
computacionalmente no sea efectiva para cálculos en tiempo
real. Es la forma como se implementan algoritmos para
construir medidores de reactividad digital.
En la siguiente sección se describe un método que
discretiza la dependencia del histórico de la densidad de
neutrones lo cual aumenta la precisión en el cálculo de la
reactividad y facilita su implementación computacional.
III. MÉTODO PROPUESTO
Para discretizar la dependencia de la integral en la ecuación
(3), se emplea una aproximación de la integral a una suma
mediante la fórmula de Euler-Maclaurin [15],
1
0
1
(2 1) (2 1)
1
1
( ) [ ] [0] [ ]
2
[ ] [0]
(2 )!
n
n
s
x x
x
x
F y dy F s F F n
B
F n F
x
-
=
¥
- -
=
= + +
é ù
- -
ë û
å
ò
å
(3)
La ecuación (4) permite hacer un cambio en la dependencia
de funciones continuas F(y) a funciones discretas F[n].
Si x=3, la ecuación (4) se reescribe de la siguiente forma:
(4)
donde B
1
=1/6, B
2
=1/30 y B
3
=1/42 representan los tres
primeros números de Bernoulli. La reactividad con la
aproximación de tres números de Bernoulli puede ser
calculada, sustituyendo la ecuación (5) en (3) resulta:
1 2 3
[ ]
Trap B B B
n
r r r r r
= + ++
(6)
donde ρ
Trap
representa la reactividad con la corrección de la
regla trapezoidal [17], esto es:
6
0
(1)
1
6
1 1
[ ] [ ]
[ ] [ ]
1
[ ] [ ] [ ] [0] [0] [ ]
[ ] 2
nT
i
Trap i
i
n
i i i
i s
P
n P n e
P n P n
T
h n s P s h n P h P n
P n
l
r b b
-
=
= =
L
= + -
é ù
ê ú
- - - +
ê ú
ë û
å
å å
(7)
ρ
B1
, ρ
B2
y ρ
B3
representan las correcciones con el primero, el
segundo y el tercer número de Bernoulli, dados por:
6
(1) (1)
2
1
(1) (1)
1
[0] [ ] [0] [ ]
12 [ ]
[ ] [0] [ ] [0]
i i
B
i i
i
h P n h P n
T
P n
h n P h n P
r
=
é ù
+
ê ú
=
ê ú
- -
ë û
å
(8)
( )
( )
( )
( )
(3) (2) (1)
(1) (2) (3)
6
4
2
(3) (2) (1)
1
(1) (2) (3)
[0] [ ] 3 [0] [ ]
3 [0] [ ] [0] [ ]
720 [ ]
[ ] [0] 3 [ ] [0]
3 [ ] [0] [ ] [0]
i i
i i
B
i
i i
i i
h P n h P n
h P n h P n
T
P n
h n P h n P
h n P h n P
r
=
é ù
+
ê ú
ê ú
+ +
ê ú
= -
ê ú
ê ú
- -
ê ú
ê ú
- -
ê ú
ë û
å
(9)
Scientia et Technica Año XXVIII, Vol. 29, No. 04, octubre-diciembre de 2024. Universidad Tecnológica de Pereira. 169
5
(2 1) ( )
6
6
0
3
5
1
(2 1) ( )
0
2 1
[0] [ ]
30240 [ ]
2 1
[ ] [0]
p k k
i
k
B
i
p k k
i
k
p
h P n
k
T
P n
p
h n P
k
r
- -
=
=
- -
=
é ù
é ù
-
æ ö
ê ú
ê ú
ç ÷
ê ú
ê ú
è ø
ë û
ê ú
=
ê ú
é ù
-
æ ö
ê ú
ê ú
-
ç ÷
ê ú
ê ú
è ø
ë û
ë û
å
å
å
(10)
Es posible escribir una expresión para el cálculo de la
reactividad en una forma más compacta en términos de
expresiones pares e impares obteniendo la siguiente ecuación
para la reactividad:
2
6 3
1
1 1
1
(2 2 1) (2 )
0
(2 2 ) (2 1)
1
1
(2 2 1) (2 )
0
1
[ ] [ ] ( 1) *
[ ] (2 )!
2 1
[0] [ ]
2
2 1
[0] [ ]
2 1
2 1
[ ] [0]
2
2 1
2 1
p
p
p
Trap
i p
p
p k k
i
k
p
p k k
i
k
p
p k k
i
k
T B
n n
P n p
p
h P n
k
p
h P n
k
p
h n P
k
p
k
r r
-
= =
-
- -
=
- -
=
-
- -
=
= + -
é ù
-
æ ö
ê ú
ç ÷
ê ú
è ø
ê ú
ê ú
-
æ ö
ê ú
+
ç ÷
-
ê ú
è ø
ë û
-
æ ö
ç ÷
è ø
-
-
æ
+
ç
-
è
å å
å
å
å
(2 2 ) (2 1)
1
[ ] [0]
p
p k k
i
k
h n P
- -
=
é ù
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
é ù
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
ö
ê ú
ê ú
÷
ê ú
ê ú
ø
ê ú
ë û
ë û
å
(11)
Se puede simplificar las derivadas de la respuesta del
sistema h
i
para un impulso unitario contenidas en la ecuación
(11) por ser una función exponencial de la siguiente forma:
( ')
(1) 2
( ')
(2) 3 2
( ')
(3) 4 3
( ') ( ')
( ') ( ')
( ') ( ')
t t
i
i i i i i
t t
i
i i i i i
t t
i
i i i i i
h t t e h t t
h t t e h t t
h t t e h t t
l
l
l
l b l
l b l
l b l
- -
- -
- -
- = = -
- = = -
- = = -
(12)
De otra parte, en la ecuación (11) se tienen términos pares e
impares de la densidad de neutrones P, para simplificar se
hace uso de la regla de derivadas para términos pares como
impares que fueron obtenidas integrando por partes la integral
de la ecuación (3), originando una serie geométrica que
converge [13], las cuales son válidas para diferentes formas de
la densidad de la población de neutrones:
(2)
(2 ) 2
( )
( ) ( ) ( )
( )
k
k k
P t
P t P t P t a
P t
é ù
= º
ê ú
ê ú
ë û
(13)
1
(2)
(2 1) (1) (1) 2( 1)
( )
( ) ( ) ( )
( )
k
k k
P t
P t P t P t a
P t
-
- -
é ù
= º
ê ú
ê ú
ë û
(14)
siendo a una constante que es la razón de convergencia de una
serie geométrica dada por:
(2)
2
( )
( )
P t
a constante
P t
é ù
= =
ê ú
ê ú
ë û
(15)
Con las consideraciones dadas por las ecuaciones (14-15) y
usando las ecuaciones (11-12) se puede escribir la reactividad
como:
2
6 3
1
1 1
1
2 2 1 2
0
(1)
2 2 2 1
1
1
2 2 1 2
0
(1)
1
[ ] [ ] ( 1) *
[ ] (2 )!
2 1
[ ]
2
[0]
2 1
[ ]
2 1
2 1
[0]
2
[ ]
2 1
[0]
2
p
p
p
Trap
i p
p
p k k
i
k
i
p
p k k
i
k
p
p k k
i
k
i
T B
n n
P n p
p
P n a
k
h
p
P n
a
k
a
p
P a
k
h n
p
P
k
a
r r
l
l
l
-
= =
-
- -
=
- -
=
-
- -
=
= + -
é ù
-
æ ö
ê ú
ç ÷
ê ú
è ø
ê ú
ê ú
-
æ ö
ê ú
+
ç ÷
-
ê ú
è ø
ë û
-
æ ö
ç ÷
è ø
-
-
+
-
å å
å
å
å
2 2 2 1
1
1
p
p k k
i
k
a
l
- -
=
é ù
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
é ù
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
ê ú
æ ö
ê ú
ê ú
ç ÷
ê ú
ê ú
è ø
ê ú
ë û
ë û
å
(16)
La ecuación (16) representa el método para calcular la
reactividad en forma discreta con la dependencia de solo hasta
la segunda derivada, siendo el orden de las derivadas menor al
presentado en las ecuaciones (8-10).
Una representación más simple y compacta para escribir la
ecuación (16) es:
3
1
[ ]
Trap C
p
p
n n
r r r
=
= +
å
(17)
La ecuación (17) tiene dos ventajas, la primera es el carácter
semi recursiva, lo que no se obtenía con la ecuación inversa de
la cinética puntual dada por la ecuación (3) ya que es una
integral de convolución y depende de todos los puntos de la
densidad de neutrones. La segunda es que los términos
𝜌
𝐶
𝑃
que originalmente fueron definidos en las ecuaciones (8-10),
ya no dependen de las derivadas de orden superiores, sino que
su nueva dependencia solo es función de hasta la segunda
derivada de la densidad de la población de neutrones.
IV. RESULTADOS
En esta sección se exponen los resultados de las
simulaciones numéricas realizadas a partir de la ecuación (17).
Las simulaciones se presentan para un reactor nuclear que
utiliza combustible
235
92
𝑈
(los parámetros de este tipo de
reactor están dados en la Tabla I).
TABLA I. PARÁMETROS DEL COMBUSTIBLE
235
92
U
UTILIZADOS EN LOS
EXPERIMENTOS NUMÉRICOS
Parámetro
Valor
Parámetro
Valor [s
-1
]
𝛽
1
0.000266
𝜆
1
0.0127
𝛽
2
0.001491
𝜆
2
0.0317
𝛽
3
0.001316
𝜆
3
0.115
𝛽
4
0.002849
𝜆
4
0.311
𝛽
5
0.000896
𝜆
5
1.4
𝛽
6
0.000182
𝜆
6
3.87
El tiempo de generación de neutrones es Λ = 2 ×10
-5
s. Los
resultados se comparan con la solución exacta o método de
170 Scientia et Technica Año XXVIII, Vol. 29, No. 04, octubre-diciembre de 2024. Universidad Tecnológica de Pereira.
referencia usando la ecuación (3), también se realizan
comparaciones con la aproximación del primer y segundo
número de Bernoulli. y otros métodos encontrados en la
literatura como el método de Hamming [9] y el método de
Lagrange 5 puntos [7]. Las simulaciones se realizan para
diferentes densidades de neutrones y diferentes pasos de
tiempo.
El primer experimento numérico se realiza para una
densidad de neutrones de la forma P(t)=exp(ωt) para
diferentes pasos de tiempo, el valor de la frecuencia
considerada ω y el tiempo de simulación son: ω=0.0243 s
-1
y
t=1000 s respectivamente. Los resultados en las máximas
diferencias se presentan en la Tabla II. Es posible observar que
para los valores ω, el método propuesto usando (6), esto es el
cálculo de la reactividad incluyendo todas las derivadas, la
aproximación del tercer número de Bernoulli representado por
𝜌
𝐵
3
, tiene mayor precisión que los dos primeros números de
Bernoulli denotados por
𝜌
𝐵
1
y
𝜌
𝐵
2
. Iguales resultados son
encontrados cuando se compara con el método reduciendo el
orden de las derivadas
𝜌
𝐶
3
usando (17), estos resultados son
equivalentes pues la forma de la densidad de neutrones cumple
con las condiciones dadas por las ecuaciones (13-15).
TABLA II. MÁXIMA DIFERENCIA EN LA REACTIVIDAD EN PCM
En las Tablas III-IV se presentan los resultados numéricos
obtenidos para frecuencias y tiempos de simulación:
ω=0.01046 s
-1
y t = 800 s; ω=0.02817 s
-1
y t=600 s
respectivamente. Se observa que para los valores diferentes ω,
el método propuesto usando la aproximación del tercer
número de Bernoulli representado por
𝜌
𝐵
3
, tiene mayor
precisión que los métodos de Lagrange de 5 puntos y el
método de Hamming, excepto para un paso de tiempo de
cálculo muy alto de T = 1s. Iguales resultados son encontrados
cuando se compara con el método reduciendo el orden de las
derivadas
𝜌
𝐶
3
ya que cumple con las condiciones dadas por las
ecuaciones (13-15).
TABLA III. MÁXIMA DIFERENCIA EN LA REACTIVIDAD EN PCM
T(s)
Lagrange 5 puntos
Hamming
𝜌
𝐵
3
𝜌
𝐶
3
0.01
2.37×10
-5
1.062×10
-10
3.77×10
-11
3.77×10
-11
0.05
3.98×10
-4
2.43×10
-7
4.46×10
-11
4.46×10
-11
0.1
1.14×10
-3
5.29×10
-6
7.71 ×10
-9
7.71×10
-9
0.5
1.04×10
-2
7.86×10
228
2.80×10
-3
2.80×10
-3
1
1.83×10
-2
Infinito
5.60×10
-1
5.60×10
-1
TABLA IV. MÁXIMA DIFERENCIA EN LA REACTIVIDAD EN PCM
T(s)
Lagrange 5 puntos
Hamming
𝜌
𝐵
3
𝜌
𝐶
3
0.01
6.38×10
-5
2.88×10
-10
2.96×10
-11
2.96×10
-11
0.05
1.06×10
-3
6.56×10
-07
4.10×10
-11
4.01×10
-11
0.1
3.05×10
-3
1.42×10
-05
7.95×10
-9
7.95×10
-9
0.5
2.65×10
-2
4.44×10
182
2.80×10
-3
2.80×10
-3
1
4.36×10
-2
Infinito
5.77×10
-1
5.77×10
-1
Es bueno resaltar que, para cualquier paso de cálculo, el
método propuesto ya sea reduciendo o no el orden de las
derivadas, él método propuesto tiene mejores aproximaciones
que el método de Hamming con un paso de cálculo de T=1 s,
el método de Hamming diverge, mientras los métodos
𝜌
𝐵
3
y
𝜌
𝐶
3
convergen a valores cercanos de 10
-1
pcm. Esto es posible
debido a la alta precisión que proporciona la aproximación del
tercer número de Bernoulli en el cálculo de la reactividad.
La Figura 1 muestra la curva de reactividad en pcm para
una densidad de neutrones de forma cúbica P(t)=a+bt
3
, a=1 y
b= (0.0127)5/9 y un paso de cálculo T=1 s para un tiempo
total de simulación t=10000 s. Se observa que el tercer
número de Bernoulli denotado por
𝜌
𝐵
3
tiene mejores
aproximaciones cuando se comparan con el método de
referencia dado por la solución exacta que se obtiene al
resolver analíticamente (3).
0 2000 4000 6000 8000 10000
-2
0
2
4
6
8
10
Reactividad [pcm]
Tiempo [s]
r
B
1
r
B
2
r
B
3
Método de referencia
Fig. 1. Curva de reactividad en pcm, P(t)=a+bt
3
, a=1, b= (0.0127)
5
/9
En los próximos experimentos numéricos se considera un
tiempo total de simulación de t=10000 s, en las Tablas V-VI
se exponen los resultados obtenidos cuando se usan las
derivadas normales y cuando se reduce el orden
respectivamente para una densidad de neutrones de la forma
P(t)=a+sin(bt) con distintos valores de a y fijando b= π/10.
Esta forma de la densidad de neutrones no cumple
estrictamente con las condiciones dadas por (13-15). Es
posible notar que hay cambios en los resultados usando el
tercer número de Bernoulli,
𝜌
𝐵
3
y
𝜌
𝐶
3
cuando se reduce el
T(s)
𝜌
𝐵
1
𝜌
𝐵
2
𝜌
𝐵
3
𝜌
𝐶
3
0.01
6.17×10
-8
4.50×10
-11
4.30×10
-11
4.30×10
-11
0.05
3.85×10
-5
3.20×10
-8
4.69×10
-11
4.69×10
-11
0.1
6.14×10
-4
2.04×10
-6
7.60×10
-9
7.60×10
-9
0.2
9.73×10
-3
1.29×10
-4
1.92×10
-6
1.92×10
-6
0.5
3.56×10
-1
2.93×10
-2
2.70×10
-3
2.70×10
-3
1
4.67×10
0
1.50×10
0
5.53×10
-1
5.53×10
-1
Scientia et Technica Año XXVIII, Vol. 29, No. 04, octubre-diciembre de 2024. Universidad Tecnológica de Pereira. 171
orden de la derivada hasta 5. Las grandes diferencias aparecen
cuando se considera el valor a=1 ya que los resultados
obtenidos pasan de estar en el orden de 10
-6
pcm cuando no se
reduce el orden de las derivadas y cuando se reducen las
máximas diferencias alcanzan valores de 10
-1
pcm.
TABLA V. MÁXIMA DIFERENCIA EN LA REACTIVIDAD EN PCM
𝑇
(s)
a
𝜌
𝐵
1
𝜌
𝐵
2
𝜌
𝐵
3
0.1
1
5.09×10
-2
3.44×10
-4
2.51×10
-6
0.1
100
6.15×10
-4
2.05×10
-6
7.63×10
-9
0.1
150
6.14×10
-4
2.05×10
-6
7.62×10
-9
TABLA VI. MÁXIMA DIFERENCIA EN LA REACTIVIDAD EN PCM
𝑇
(s)
a
𝜌
𝐶
1
𝜌
𝐶
2
𝜌
𝐶
3
0.1
1
5.09×10
-2
4.04×10
-1
3.83×10
-1
0.1
100
6.15×10
-4
2.06×10
-6
2.06×10
-8
0.1
150
6.14×10
-4
2.05×10
-6
1.66×10
-8
En el último experimento numérico se puede observar el
comportamiento del método propuesto cuando se usan la
reducción del orden de las derivadas para una forma de la
densidad de la población de neutrones P(t)=a+sin(bt) con
a=150, b= π/10 y un paso de tiempo T=1 s. Las máximas
diferencias en reactividad son aproximadamente 4.67 pcm,
1.50 pcm y 0.55 pcm usando el primero, segundo y tercer
número de Bernoulli respectivamente. Los resultados indican
nuevamente como el caso
𝜌
𝐶
3
presenta buenas
aproximaciones.
En la Figura 2 se muestra la curva de reactividad para una
densidad de neutrones P(t)=a +b sinh(ka t) con a=100, b= 1 y
ka= 1.27×10
-3
s
-1
con un tamaño de paso de tiempo T=1 s
hasta un tiempo de simulación de t=10000 s. Se evidencia que
el método propuesto tiene una mejor aproximación en
comparación con el primer y el segundo número de Bernoulli.
0 2000 4000 6000 8000 10000
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Reactividad [pcm]
Tiempo [s]
r
B
1
r
B
2
r
B
3
Método de referencia
Fig. 2. Curva de reactividad en pcm para P(t)=a +bsinh(ka t), t=10000 s.
V. CONCLUSIONES
Se presento un método para calcular numéricamente la
reactividad considerando los parámetros físicos para un
reactor nuclear que emplea combustible
235
92
𝑈
usando la
ecuación inversa de la cinética puntual, la cual depende de la
densidad de población de neutrones; esto se logró empleando
la fórmula de Euler-Maclaurin que permite hacer una
aproximación de una integral entre el tiempo continuo y el
tiempo discreto. El método propuesto usó la aproximación del
tercer número de Bernoulli y el criterio de reducir el orden de
las derivadas, permitiendo calcular la reactividad en una forma
semi recursiva, obteniendo buenas aproximaciones para
diferentes formas de la densidad de la población de neutrones
y diferentes pasos de cálculo. La limitación y las dificultades
se pueden presentar por las aproximaciones dadas en las
ecuaciones (13-15). Sin embargo, existe buena precisión y se
evidencia en los resultados numéricos realizados, la
aproximación del tercer número de Bernoulli reduce el costo
computacional y puede ser un método alternativo para
implementar en medidores de reactividad digital.
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477, 2008, doi: 10.1016/j.anucene.2007.07.002
Daniel Suescún Díaz. Recibió el título de Licenciando en
Matemáticas de la Universidad Industrial de Santander en
1993, el título de Físico de la Universidad Industrial de
Santander en 1999 y MSc en Física de la Universidad
Industrial de Santander en el año 2000, el título de Doctor en
Física en Reactores Nucleares de la Universidad Federal de
Rio de Janeiro en el año 2007. Entre sus intereses
investigativos se encuentra la Física nuclear y la Física
computacional con métodos numéricos estocásticos.
https://orcid.org/0000-0003-2422-0684
Geraldyne Ule Duque. Recibió el título de Físico de la
Universidad Surcolombiana en 2019, el título M Sc. en Física
de la Universidad de Valencia en el año 2021, actualmente
realiza estudios PhD en Física en la Universidad de Bangor,
Reino Unido. Entre los intereses investigativos se encuentra la
Física computacional con métodos numéricos, método de
Monte Carlo, procesos estocásticos, Física de reactores
nucleares.
https://orcid.org/0000-0001-9534-5260
Diego Peña Lara. Recibió el título de Físico de la Universidad
del Valle 1986, el título M Sc. en Física de la Universidad de.
Valle en el año 1990 y el título de Doctor en Física de la
Universidad Federal de Minas Gerais en el año 1999. Entre los
intereses investigativos se encuentra la Física Estadística,
Física computacional con métodos numéricos, dinámica
molecular, método de Monte Carlo, procesos estocásticos,
Transiciones de fases en sistemas magnético e iónicos
https://orcid.org/0000-0001-6199-1547