Scientia et Technica Año XXVIII, Vol. 29, No. 03, julio-septiembre de 2024. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701 y ISSN-e: 2344-7214 132
Densidad de Neutrones Estocástica con Efectos
de Temperatura
Stochastic Neutron Density with Temperature Effects
D. Suescún-Díaz ; F. Robayo-Betancourt ; D. Peña-Lara
DOI: https://doi.org/10.22517/23447214.25485
Scientific and technological research paper
Abstract— This paper presents a novel approach for
calculating neutron density with temperature feedback effects by
employing Milstein’s semi-implicit iterative scheme to
numerically solve the stochastic point kinetics equations. The
method's performance is validated through a series of numerical
experiments involving 500 Brownian motion trajectories to
compute the mean and standard deviation at a specified time
step. The results show that the proposed method provides
accurate approximations, making it a viable alternative for
determining the expected value of neutron density and for
predicting the peak time at which this maximum occurs, taking
into account temperature effects and physical parameters
relevant to nuclear reactors.
Index Terms— Feedback temperature effects; Nuclear neutron
density; nuclear reactivity; numerical methods; stochastic
equations.
Resumen—En este trabajo, presentamos un enfoque novedoso
para calcular la densidad de neutrones con efectos de
retroalimentación de temperatura, utilizando el esquema
iterativo semi-implícito de Milstein para resolver numéricamente
las ecuaciones cinéticas puntuales estocásticas. Nuestro método se
valida mediante una serie de experimentos numéricos, empleando
500 trayectorias de movimiento browniano para calcular la
media y la desviación estándar en un paso de tiempo
seleccionado. Los resultados demuestran que nuestro método
proporciona aproximaciones precisas. Por lo tanto, puede
utilizarse como método alternativo para el cálculo del valor
esperado de la densidad de neutrones, y para determinar el
tiempo hasta el pico en el que se produce este máximo,
considerando los efectos de la temperatura y los parámetros
físicos relevantes para los reactores nucleares.
Este manuscrito fue enviado el día 8 de noviembre del 2023, aceptado el 10 de
septiembre del 2024 y publicado el 27 de septiembre 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).
Faiber Robayo Betancourt es un investigador del grupo Nuevas
Tecnologías de la Universidad surcolombiana, Neiva, Colombia. (e-mail:
faiber.robayo@usco.edu.co).
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).
Palabras claves—Densidad nuclear de neutrones; reactividad
nuclear; ecuaciones estocásticas; efectos de temperatura de
retroalimentación; métodos numéricos.
I.
INTRODUCCIÓN
l problema del cambio climático lleva a la necesidad de
considerar otras fuentes de energía para mitigar el efecto
de calentamiento global. La energía nuclear es una opción
válida que toma fuerza cada día. Sin embargo, es necesario
controlar las fisiones nucleares mediante un reactor, en el cual
la densidad de la población de neutrones y la reactividad son
muy importantes [1]. Pequeñas variaciones en la reactividad
modifican de forma notable la densidad de la población de
neutrones y la concentración de precursores. La evolución
temporal de las poblaciones de neutrones y de los grupos de
precursores en un reactor nuclear son un tema de estudio que
se realiza con la solución de las ecuaciones de la cinética
puntual, en especial cuando la densidad de la población de
neutrones es baja en el reactor, ya sea al inicio o al final de la
operación, de tal forma que los efectos estocásticos se deben
considerar [2]. La naturaleza de la fisión nuclear incluye
aspectos de carácter aleatorio y probabilísticos, típicos de los
procesos que ocurren en el núcleo del reactor. Para tal fin, se
debe considerar que la población de neutrones en un reactor
nuclear es de naturaleza estocástica y se debe determinar por
medio de las ecuaciones estocásticas de la cinética puntual [3].
Diferentes métodos se reportan en la literatura para resolver
las ecuaciones de la cinética puntual sin considerar efectos de
temperatura, entre los métodos reportados están: la
aproximación constante por partes (ACP) y Monte Carlo [4],
los métodos de Euler-Maruyama explícito y Taylor 1.5 [5,6],
el método de la cinética puntual estocástica simplificado
(CPES) [7], el modelo exponencial analítico (MEA) [8], el
modelo estocástico eficiente (MEE) [9], el método de doble
diagonalización y descomposición (MDD) [10], el método de
Euler-Maruyama implícito [11].
Algunos de los métodos que se reportan en la literatura que
resuelven las ecuaciones de la cinética puntual que dependen
de la temperatura son: Los métodos que usan la técnica
analítica exponencial (TAE) y el método de Euler-Maruyama
(MEM) [12]. Los métodos de Euler-Maruyama de paso
dividido hacia delante (MEMD) y el método de Milstein sin