Cálculo de propiedades de interacción de neutrones en agua supercrítica en base a dinámica molecular

Abstract

Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2022/23). Dr. D. José Manuel Míguez Díaz ; Dr. D. José Ignacio Márquez Damián. El presente Trabajo Final de Máster (TFM), propone determinar secciones eficaces neutrónicas, que son propiedades de interacción de neutrones con la materia, y en particular el sistema de estudio es agua en condiciones supercríticas. El contexto de determinar dichas propiedades neutrónicas del agua a las condiciones termodinámicas anteriormente mencionadas, es debido a la utilización del agua supercrítica como refrigerante en las centrales nucleares de IV generación, que entre sus características está su alta eficiencia térmica, cerca al 50%. Para lograr los objetivos propuestos se utiliza el modelo de agua TIP4P/2005f, el rango de temperaturas a estudiar va desde 275 hasta 973 K, para presiones por debajo de la presión crítica, se sigue la curva de coexistencia líquido-vapor y por encima se trabaja sobre la isobara de 25 MPa. Se proponen tres esquemas de simulaciones diferentes, donde el primero y el segundo que se utilizan son parecidos, puesto que utilizan 512 moléculas, caja cúbica y etapas de equilibración y producción similares. En ambos esquemas de simulación se calcula la densidad y su respectiva incertidumbre que se halla a partir del promediado por bloques. También se analiza la temperatura y presión del sistema, para verificar que el termostato, barostato, al igual que sus constantes de , son adecuados para mantener los valores nominales. En cuanto a los resultados del TFM, con los esquemas de simulación 1 y 2, se calculan densidades con incertidumbres menores a 10% para todo el rango de temperatura, excepto para el intervalo de 650 a 690 K: temperaturas en la región supercrítica que contiene el cruce de la línea Widom para 25 MPa. Los valores obtenidos y comparados con los datos experimentales, se estiman errores relativos de más del 100%, y a partir de 650 K, mayores a 10% hasta temperaturas de 800 K. De las simulaciones se obtienen directamente las funciones autocorrelación de velocidades (V ACF), a partir de las cuales se calcula el coeficiente de difusión (D). Que es una propiedad de transporte que se compara con resultados experimentales. Los valores hallados para D en este trabajo son consistentes con los experimentales casi que el mismo intervalo de temperatura que las densidades. De las VACF y empleando el modelo CAB para las leyes de scattering, se determinan las secciones eficaces. Para bajas temperaturas son muy exactos los resultados, puesto que coincide muy bien con los datos experimentales reportados. El inconveniente surge para temperaturas cerca o mayores al cruce de la línea Widom, puesto que las fluctuaciones del sistema hacen que se dificulte su estimación desde la parte física y computacional. Dado que se busca mejorar las estimaciones de las variables de interés, densidad, coeficiente de difusión y secciones eficaces, surge un tercer esquema de simulación, tal que busca reproducir en comportamiento dual líquido-vapor en las proximidades de la línea Widom, por lo que se propone una caja rectangular, parte de la etapa de equilibración con restricciones holonómicas, sin posiciones fijas, colectivo NPT y 4096 moléculas. Continuando con la equilibración del sistema, se cambia a un colectivo NVT, posiciones fijas en la caja de simulación de los átomos de oxígeno de la molécula de agua, sin restricciones holonómicas. Los resultados para la densidad calculados a partir del esquema 3, son precisos y exactos, su incertidumbre es menor al 1%, tienen el mismo comportamiento de crecimiento en las cercanías del cruce de la línea Widom. Por último la extensión de las secciones eficaz no es trivial, requiere de muchas etapas de equilibración adicional a las propuestas en los esquemas de simulación, pero se obtienen valores físicamente compatibles y órdenes de magnitud razonables.

The present TFM proposes to determine neutron cross sections, which are properties of neutron interaction with matter, particularly the study system is water under supercritical conditions. The context of determining such neutron properties of water in the above mentioned thermodynamic conditions is due to the use of water as a coolant in Generation IV nuclear power plants, which among its characteristics is its high thermal efficiency, close to 50%. To achieve the proposed objectives, the water model TIP4p/2005f is used, the temperature range goes from 275 to 973 K, for pressures below the critical pressure, the liquid-vapor coexistence curve is followed and above it, the 25 MPa isobar is used. Three different simulation schemes are proposed, where the first and the second one used are similar, since they use 512 molecules, cubic box and similar equilibration and production stages. In both simulation schemes the density and its respective uncertainty is calculated and found from block averaging. The temperature and pressure of the system are also analyzed to verify that the thermostat, barostat, as well as their coupling constants are adequate to maintain the nominal values. With simulation schemes 1 and 2, densities with uncertainties of less than 10% are calculated for the whole temperature range, except for the interval from 650 to 690 K, temperatures in the supercritical region containing the crossing of the Widom line for 25 MPa. As for values obtained and compared with experimental values, relative errors of more than 100% are estimated, and from 650 K, greater than 10% up to high temperatures. The velocity autocorrelation functions (VACF) in the temperature range of interest are obtained directly from the simulations, from which the diffusion coefficient D is calculated. This transport property is compared with experimental results. The values found for D in this work are consistent with the experimental ones for almost the same temperature range as the densities. From the V ACF and using the CAB model for the scattering laws, the neutron cross sections are determined. For low temperatures the results are very accurate, since they agree very well with the reported experimental data. The drawback arises for temperatures near or above the crossing of the Widom line, since the fluctuations of the system make it difficult to estimate from the physical and computational side. Since the aim is to improve the estimations of the variables of interest, density, diffusion coefficient and effective sections, a third simulation scheme arises, which seeks to reproduce the dual liquidvapor behavior in the vicinity of the Widom line, so a rectangular box is proposed, part of the equilibration stage with holonomic restrictions, without fixed positions, collective NPT and 4096 molecules. Continuing with the equilibration of the system, we switch to a NVT collective, fixed positions in the simulation box of the oxygen atoms of the water molecule, with no holonomic constraints. The results for density calculated from scheme 3 are precise and accurate, although their uncertainty is less than 1%, they have the same growth behavior in the vicinity of the Widom line crossing. Finally, the extension of the effective sections is not trivial, requiring many additional balancing steps to those proposed in the simulation schemes, but physically compatible values and reasonable orders of magnitude are obtained.