ISO 11311:2011

Nuclear criticality safety — Critical values for homogeneous plutonium-uranium oxide fuel mixtures outside of reactors

ISO 11311:2011 specifies common reference critical values (of which the effective neutron multiplication factor, keff, is equal to 1) for homogeneous water-moderated plutonium-uranium oxide mixtures based on an inter-code comparison of calculated critical values. It is applicable to operations with unirradiated mixed uranium-plutonium oxide (MOX) outside nuclear reactors. A classical validation approach for these systems is difficult because of the paucity of critical experiments for MOX fuel. Various reference systems, in terms of isotopic compositions, thicknesses of water reflection, and densities of oxide are evaluated by different combinations of calculation codes and nuclear data libraries (i.e. different calculation schemes). The critical values defined in ISO 11311:2011 are the lowest of those calculated by each of these calculation schemes and accepted as credible. The values in ISO 11311:2011 are reference values and not absolute critical values.

Sûreté-criticité — Valeurs critiques pour oxydes mixtes homogènes de plutonium et d'uranium hors réacteurs

L'ISO 11311:2011 spécifie des valeurs critiques (dont le facteur de multiplication effectif des neutrons, keff, est égal à 1) usuelles de référence pour l'oxyde mixte de plutonium et d'uranium homogène modéré par de l'eau, s'appuyant sur une comparaison inter-codes de valeurs critiques calculées. Elle est applicable à des opérations, hors réacteurs nucléaires, mettant en oeuvre des oxydes mixtes de plutonium et d'uranium (MOX) non irradiés. Le manque d'expériences critiques pour les MOX empêche toute approche de validation classique des valeurs critiques. Divers systèmes de référence, en termes de composition isotopique, d'épaisseur de réflexion par de l'eau et de densité d'oxyde, sont étudiés à l'aide de différentes combinaisons de codes de calcul et de bibliothèques de données nucléaires (c'est-à-dire selon différents schémas de calcul). Les valeurs critiques spécifiées dans l'ISO 11311:2011 sont les valeurs les plus basses parmi celles calculées selon chacun de ces schémas de calcul et réputées crédibles. Les valeurs de l'ISO 11311:2011 sont des valeurs de référence et non des valeurs critiques absolues.

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 04-Jul-2011
• ICS: 27.120.30 - Fissile materials and nuclear fuel technology
• Technical Committee: ISO/TC 85/SC 5 - Nuclear installations, processes and technologies
• Drafting Committee: ISO/TC 85/SC 5/WG 8 - Nuclear criticality safety
• Current Stage: 9093 - International Standard confirmed
• Start Date: 02-Feb-2024
• Completion Date: 07-Dec-2025

Relations

• Amended By: ISO 11311:2011/Amd 1:2022 - Nuclear criticality safety — Critical values for homogeneous plutonium-uranium oxide fuel mixtures outside of reactors — Amendment 1: Corrections and clarifications
• Effective Date: 06-Jun-2022

Standards Content (Sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 11311
First edition
2011-07-01
Nuclear criticality safety — Critical values
for homogeneous plutonium-uranium
oxide fuel mixtures outside of reactors
Sûreté-criticité — Valeurs critiques pour oxydes mixtes homogènes de
plutonium et d'uranium hors réacteurs

Reference number
©
ISO 2011
©  ISO 2011
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Published in Switzerland
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Contents Page
Foreword .iv
Introduction.v
1 Scope.1
2 Normative references.1
3 Terms and definitions .1
4 Reference systems concerned by this International Standard .1
4.1 Reference fissile media.1
4.2 Moderation conditions.3
4.3 Geometrical models.4
4.4 Reflecting conditions .4
5 Critical values.4
5.1 Presentation of the results .4
5.2 Requirements.4
6 Subcritical limits and margin of safety .5
Annex A (informative) Reference fissile media.6
Annex B (informative) Criticality schemes used for the calculations .7
Annex C (normative) Critical dimensions for a water reflection of 30 cm .9
Annex D (normative) Critical dimensions for a water reflection of 2,5 cm .10
Annex E (normative) Critical parameters for a water reflection of 30 cm.11
Annex F (normative) Critical parameters for a water reflection of 2,5 cm .12
Bibliography.13

Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 11311 was prepared by Technical Committee ISO/TC 85, Nuclear energy, nuclear technologies, and
radiological protection, Subcommittee SC 5, Nuclear fuel cycle.
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Introduction
This International Standard provides specifications to establish process and equipment limits for controlling
the nuclear criticality hazard (e.g. choice of process monitoring modes, choice of equipment geometry) in
facilities (outside of nuclear reactors) involving mixed uranium-plutonium oxide (MOX) fuel.
239 241 235
The criticality risk for this type of fuel results from the presence of the fissile nuclides Pu, Pu and U,
242 240 238
and from other fissionable nuclides, such as Pu, Pu and U, more or less neutron absorbing.
The systems considered are uniform and homogeneous mixtures, moderated and reflected by water. The
geometries concerned are single units of spheres, cylinders and slabs. A limited number of important safety
parameter values are then selected.
Actually, regarding the field of MOX fuel, there are insufficient directly representative experiments of damp
powders for establishing the bias between calculations and measurements. Therefore, an inter-code
comparison is done to conservatively estimate critical values for different fissile material specifications.
Because the use of calculation codes can be associated with different nuclear libraries, the preceding
comparison is extended to the results obtained with the most common nuclear data libraries.
Consequently, this International Standard provides reference critical values for the safety parameters selected.
These values are determined by inter-code comparisons with an acceptable accuracy and are defined as the
lowest calculated critical values of the selected safety parameters. These values will help nuclear criticality
safety assessors during their analysis to make technical prescriptions for criticality risk prevention and for
production purposes.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 11311:2011(E)

Nuclear criticality safety — Critical values for homogeneous
plutonium-uranium oxide fuel mixtures outside of reactors
1 Scope
This International Standard specifies common reference critical values (of which the effective neutron
multiplication factor, k is equal to 1) for homogeneous water-moderated plutonium-uranium oxide mixtures
eff
based on an inter-code comparison of calculated critical values.
It is applicable to operations with unirradiated mixed uranium-plutonium oxide (MOX) outside nuclear reactors.
A classical validation approach for these systems is difficult because of the paucity of critical experiments for
MOX fuel.
Various reference systems, in terms of isotopic compositions, thicknesses of water reflection, and densities of
oxide are evaluated by different combinations of calculation codes and nuclear data libraries (i.e. different
calculation schemes, see Annex B).
The critical values defined in this International Standard are the lowest of those calculated by each of these
calculation schemes and accepted as credible.
The values in this International Standard are reference values and not absolute critical values.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 921, Nuclear energy — Vocabulary
ISO 1709, Nuclear energy — Fissile materials — Principles of criticality safety in storing, handling and
processing
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 921 apply.
4 Reference systems concerned by this International Standard
4.1 Reference fissile media
4.1.1 Description
The reference fissile media are homogeneous and uniform mixtures of uranium and plutonium dioxides in
water.
4.1.2 Plutonium content
The plutonium content in the mixture, w , expressed as a percentage mass fraction, is defined by
Pu
Equation (1):
m
Pu
w = (1)
Pu
mm+
UPu
where
m is the mass, in grams, of plutonium in the mixture;
Pu
m is the mass, in grams, of uranium in the mixture.
U
Plutonium contents used in the reference fissile media are:
a) w = 35,0 %;
Pu
b) w = 12,5 %.
Pu
4.1.3 Oxide density ranges
Two ranges of oxide (UO + PuO ) density, expressed in grams per cubic centimetre, are considered:
2 2
⎯ up to 3,50 g/cm , if the plutonium content is 35,0 % mass fraction;
⎯ up to 11,03 g/cm , if the plutonium content is 12,5 % mass fraction.
NOTE The latter density is the theoretical dry density for this specific isotopic MOX composition.
4.1.4 Isotopic composition
4.1.4.1 Notation
In this subclause, the following notation is used:
m is the mass, in grams, of isotope i of uranium;
i
U
m is the mass, in grams, of uranium;
U,total
m is the mass, in grams, of isotope i of plutonium;
i
Pu
m is the mass, in grams, of plutonium.
Pu,total
4.1.4.2 Uranium
The uranium composition considered corresponds to natural uranium:
mm/ = 0,718 %
235 U,total
U
mm/ = 99,282 %
238 U,total
U
NOTE The fissile systems with depleted uranium are bounded by the natural uranium systems considered in this
International Standard.
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4.1.4.3 Plutonium
Three plutonium compositions, P0, P5 and P20, are considered:
c) composition P0 is defined by:
mm/ = 100,000 %
239 Pu,total
Pu
d) composition P5 is defined by:
mm/ = 95,000 %
239 Pu,total
Pu
mm/ = 5,000 %
240 Pu,total
Pu
e) composition P20 is defined by:
mm/ = 20,000 %
240 Pu,total
Pu
mm/ ==R 11/17
241 240 1
Pu Pu
mm/ ==R 1/11
242 241 2
Pu Pu
m /1m =−mm/ −m/m −mm/
239 Pu,total 240 Pu,total 241 240 242 241
Pu Pu Pu Pu Pu Pu
=−1/mm −(mm/ ×R)−(mm/ ×R ×R)
240 Pu,total 240 Pu,total 1 240 Pu,total 1 2
Pu Pu Pu
4.1.5 Resulting fissile media
The six reference fissile media resulting from these physical and chemical forms and from these isotopic
compositions are presented in Annex A.
4.2 Moderation conditions
Two water moderation degrees are considered:
a) a limited moderation corresponding to a water mass fraction less than or equal to 3,0 %, according to
Equation (2):
m
HO
w=≤ 3% (2)
HO
mm++m
HO PuO UO
22 2
where
m is the mass, in grams, of water in the mixture;
HO
m is the mass, in grams, of plutonium dioxide in the mixture;
PuO
m is the mass, in grams, of uranium dioxide in the mixture.
UO
NOTE
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 11311
Première édition
2011-07-01
Sûreté-criticité — Valeurs critiques pour
oxydes mixtes homogènes de plutonium
et d'uranium hors réacteurs
Nuclear criticality safety — Critical values for homogeneous plutonium-
uranium oxide fuel mixtures outside of reactors

Numéro de référence
©
ISO 2011
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quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l'accord écrit
de l'ISO à l'adresse ci-après ou du comité membre de l'ISO dans le pays du demandeur.
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Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail [e-mail]
Web www.iso.org
Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction.v
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives.1
3 Termes et définitions .1
4 Systèmes de référence concernés par la présente Norme internationale .2
4.1 Milieux fissiles de référence.2
4.2 Conditions de modération.3
4.3 Modèles géométriques.4
4.4 Conditions de réflexion.4
5 Valeurs critiques.4
5.1 Présentation des résultats.4
5.2 Exigences.5
6 Limites sous-critiques et marge de sécurité .5
Annexe A (informative) Milieux fissiles de référence.6
Annexe B (informative) Schémas des calculs de criticité utilisés.7
Annexe C (normative) Dimensions critiques pour une réflexion par 30 cm d'eau .9
Annexe D (normative) Dimensions critiques pour une réflexion par 2,5 cm d'eau .10
Annexe E (normative) Paramètres critiques pour une réflexion par 30 cm d'eau .11
Annexe F (normative) Paramètres critiques pour une réflexion par 2,5 cm d'eau.12
Bibliographie.13

Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 11311 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 85, Énergie nucléaire, technologies nucléaires, et
radioprotection, sous-comité SC 5, Cycle du combustible nucléaire.

iv © ISO 2011 – Tous droits réservés

Introduction
La présente Norme internationale fournit des spécifications permettant d'établir des limites de procédé et
d'équipement en termes de contrôle du risque de criticité (par exemple choix de modes de contrôle du
procédé, choix de la géométrie de l'équipement) dans des installations (hors réacteurs nucléaires) mettant en
œuvre des oxydes mixtes de plutonium et d'uranium (MOX).
239 241
Le risque de criticité pour ce type de combustibles est lié à la présence des nucléides fissiles Pu, Pu et
235 242 240 238
U et d'autres nucléides fissibles, tels que Pu, Pu et U, plus ou moins neutrophages.
Les systèmes pris en considération sont des mélanges homogènes et uniformes, modérés et réfléchis par de
l'eau. Les formes géométriques correspondantes sont des unités simples de sphères, cylindres et plaques.
Un nombre limité de paramètres de sûreté est ensuite sélectionné.
En fait, concernant les combustibles MOX, le nombre d'expériences directement représentatives des poudres
humides est insuffisant pour établir un biais entre les calculs et les mesures. En conséquence, une
comparaison entre codes de calcul est effectuée pour estimer de façon conservative les valeurs critiques pour
différentes spécifications de matières fissiles.
L'utilisation de codes de calcul pouvant être associée à différentes bibliothèques nucléaires, la comparaison
précédente est étendue aux résultats obtenus avec la plupart des bibliothèques usuelles de données
nucléaires.
Par conséquent, la présente Norme internationale fournit des valeurs critiques de référence pour les
paramètres de sûreté sélectionnés. Ces valeurs sont déterminées par des comparaisons entre codes de
calcul avec une exactitude acceptable et sont définies comme étant les valeurs critiques minimales calculées
des paramètres de sûreté choisis. Ces valeurs aideront les analystes en sûreté-criticité au cours de leurs
analyses en vue d'établir des exigences techniques pour la prévention du risque de criticité en conception et
en exploitation.
NORME INTERNATIONALE ISO 11311:2011(F)

Sûreté-criticité — Valeurs critiques pour oxydes mixtes
homogènes de plutonium et d'uranium hors réacteurs
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale spécifie des valeurs critiques (dont le facteur de multiplication effectif des
neutrons, k , est égal à 1) usuelles de référence pour de l'oxyde mixte de plutonium et d'uranium homogène
eff
modéré par de l'eau, s'appuyant sur une comparaison inter-codes de valeurs critiques calculées.
Elle est applicable à des opérations, hors réacteurs nucléaires, mettant en œuvre des oxydes mixtes de
plutonium et d'uranium (MOX) non irradiés.
Le manque d'expériences critiques pour les MOX empêche toute approche de validation classique des
valeurs critiques.
Divers systèmes de référence, en termes de composition isotopique, d'épaisseur de réflexion par de l'eau et
de densité d'oxyde, sont étudiés à l'aide de différentes combinaisons de codes de calcul et de bibliothèques
de données nucléaires (c'est-à-dire selon différents schémas de calcul, voir Annexe B).
Les valeurs critiques spécifiées dans la présente Norme internationale sont les valeurs les plus basses parmi
celles calculées selon chacun de ces schémas de calcul et réputées crédibles.
Les valeurs de la présente Norme internationale sont des valeurs de référence et non des valeurs critiques
absolues.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 921, Énergie nucléaire — Vocabulaire
ISO 1709, Énergie nucléaire — Matières fissiles — Principes de sécurité en matière de criticité lors du
stockage, de la manipulation et du traitement
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 921 s'appliquent.
4 Systèmes de référence concernés par la présente Norme internationale
4.1 Milieux fissiles de référence
4.1.1 Description
Les milieux fissiles de référence sont des dioxydes mixtes d'uranium et de plutonium uniformes et homogènes
dans de l'eau.
4.1.2 Teneur en plutonium
La teneur en plutonium dans le mélange, exprimée en fraction massique, w , en pourcent, est définie par
Pu
l'Équation (1):
⎡⎤
wm=+m m (1)
()
Pu Pu U Pu
⎣⎦
où
m est la masse de plutonium dans le mélange, exprimée en grammes;
Pu
m est la masse d'uranium dans le mélange, exprimée en grammes.
U
Les teneurs en plutonium utilisées dans les milieux fissiles de référence sont:
a) w = 35,0 %,
Pu
b) w = 12,5 %.
Pu
4.1.3 Plages de densité de l'oxyde
Deux plages de densité d'oxyde, exprimée en masse des oxydes (UO + PuO ) par centimètre cube, sont
2 2
prises en compte:
⎯ jusqu'à 3,50 g/cm , si la teneur en plutonium est de 35,0 %,
⎯ jusqu'à 11,03 g/cm , si la teneur en plutonium est de 12,5 %.
NOTE Cette dernière densité est la masse volumique sèche théorique pour cette composition isotopique spécifique
de MOX.
4.1.4 Composition isotopique
4.1.4.1 Notations
Les notations suivantes sont retenues dans ce paragraphe.
m est la masse de l'isotope i de l'uranium, exprimée en grammes;
i
U
m est la masse d'uranium, exprimée en grammes;
U,total
m est la masse de l'isotope i du plutonium, exprimée en grammes;
i
Pu
m est la masse de plutonium exprimée en grammes.
Pu,total
2 © ISO 2011 – Tous droits réservés

4.1.4.2 Uranium
La composition isotopique de l'uranium retenue est celle de l'uranium naturel. Elle est définie par:
m / m = 0,718 %
U,total
U
m / m = 99,282 %
U,total
U
NOTE Les systèmes fissiles comprenant de l'uranium appauvri sont couverts par les systèmes d'uranium naturel pris
en considération dans la présente Norme internationale.
4.1.4.3 Plutonium
Trois compositions isotopiques du plutonium, notées ci-après P0, P5 et P20, sont retenues:
a) la composition P0 est définie par:
m / m = 100,000 %
Pu,total
Pu
b) la composition P5 est définie par:
m / m = 95,000 %
Pu,total
Pu
m / m = 5,000 %
Pu,total
Pu
c) la composition P20 est définie par:
m / m = 20,000 %
Pu,total
Pu
m / m = R = 11/17
241 240
Pu Pu
m / m = R = 1/11
242 241
Pu Pu
m / m = 1 − m / m − m / m − m / m
239 240 241 240 242 241
Pu,total Pu,total
Pu Pu Pu Pu Pu Pu
= 1 − m / m − (m / m × R ) − (m / m × R × R )
240 240 240
Pu,total Pu,total 1 u Pu,total 1 2
Pu Pu Pu
4.1.5 Milieux fissiles obtenus
Les six milieux fissiles de référence obtenus à partir de ces formes physico-chimiques et compositions
isotopiques sont présentés dans l'Annexe A.
4.2 Conditions de modération
Deux degrés de modération par l'eau sont retenus:
a) une modération limitée, correspondant à une fraction massique d'eau inférieure ou égale à 3,0 %, selon
l'Équation (2):
⎡⎤
wm=+m m+m≤ 3% (2)
()
HO H O HO PuO UO
22⎢⎥2 2 2
⎣⎦
où
m est la masse d'eau dans le mélange, exprimée en grammes;
H O
m est la masse de dioxyde de plutonium dans le mélange, exprimée en grammes;
PuO
m est la
...