Розробка нейтронно-фізичної моделі двозонного дослідницького підкритичного реактора для трансмутації ядерних відходів

В. І. Гулік1, В. М. Павлович2

1Інститут проблем безпеки AEC НАН України, вул. Лисогірська, 12, м. Київ, 03028, Україна
2Інститут ядерних досліджень НАН України, просп. Науки, 47, м. Київ, 03680, Україна

DOI: doi.org/10.31717/2311-8253.19.1.1

Анотація

Створення невеликих дослідницьких підкритичних реакторів необхідно, зокрема, для розробки технології трансмутації ядерних відходів у підкритичних системах, що керуються зовнішнім джерелом нейтронів. Будівництво таких установок дає змогу розробити технологію трансмутації ядерних відходів без будівництва дорогого промислового підкритичного реактора. Недорогий генератор нейтронів може служити зовнішнім джерелом нейтронів для таких дослідницьких підкритичних реакторів. У роботі запропоновано двозонну модель підкритичної системи, що керується генератором нейтронів високої інтенсивності. Така система може використовувати дві окремі зони реактора з різними нейтронними спектрами: швидким та тепловим. Представлено основні етапи розробки запропонованої моделі двозонного підкритичного реактора. Результати моделювання виконано в кодах Serpent і MCNP з метою оптимізації геометрії і складу палива у двозонній підкритичній системі. Також представлено огляд різних установок, які можуть бути використані як зовнішнє джерело нейтронів для підкритичного реактора. Однак оптимальним джерелом нейтронів для недорогого дослідницького підкритичного реактора для дослідження трансмутації ядерних відходів був обраний D-T генератор нейтронів високої інтенсивності. У цілому спостерігається, що двозонна підкритична система може ефективно посилювати потік нейтронів від зовнішніх джерел нейтронів.

Ключові слова: підкритичні системи, що керуються прискорювачами, підкритичний реактор, трансмутація радіоактивних відходів, оптимізація підкритичної зони.

Список використаної літератури

1. IAEA-TECDOC-985. Accelerator Driven Systems: Energy Generation and Transmutation of Nuclear Waste. Status report. Vienna: IAEA, 1997, 482 p.

2. A European Roadmap for Developing Accelerator Driven Systems (ADS) for Nuclear Waste Incineration. The European Technical Working Group on ADS, 2001,145 p.

3. Salvatores M. (2006) Fuel Cycle Strategies for the Sustainable Development of Nuclear Energy: The Role of Accelerator Driven Systems. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, vol. 562, pp. 578-584.

4. Taczanowski S. (2003) Transmutations of Nuclear Waste in Accelerator-Driven Subcritical Systems. Applied Energy, vol. 75, pp. 97-117.

5. Salvatores M. (2002) The Physics of Transmutation in Critical or Subcritical Reactors. C. R. Physique, vol. 3, pp. 999-1012.

6. Salvatores M. (2002) Transmutation: Issues, Innovative Options and Perspectives. Progress in Nuclear Energy, vol. 40, pp. 375-402.

7. Yang W. S„ Kim Y„ Hill R. N„ Taiwo T. A., Khalil H. S. (2004) Long-Lived Fission Product Transmutation Studies. Nuclear Science and Engineering, vol. 146, pp. 291-318.

8. Jongen Y. et al. (2002) High-Intensity Cyclotrons for Radioisotope Production and Accelerator Driven Systems. Nuclear Physics, vol. 701, pp. 100-103. doi: 10.1016/S0375-9474(01)01555-X.

9. Abderrahim H., Baeten R, Bruyn D., Fernandez R. (2012) MYRRHA – A Multi-Purpose Fast Spectrum Research Reactor. Energy Conversion and Management, vol. 63, pp. 4-10. https://doi.Org/10.1016/j.enconman.2012.02.025.

10. Gohar Y. et al. (2006) Accelerator-Driven Subcritical Facility: Conceptual Design Development. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, vol. 562, pp. 870-874.

11. Zhong Z., Gohar Y, Talamo A. (2011) Analysis of Fuel Management in the KIPT Neutron Source Facility. Annals of Nuclear Energy, vol. 5, pp. 1014-1022.
12. Verbeke J. M., Leung K. N., Vujic J. (2000) Development of a Sealed-Accelerator-Tube Neutron Generator. Applied Radiation and Isotopes, vol. 53, pp. 801-809.

13. Markovskij D. V. et al. (2001) Experimental Activation Study of Some Russian Vanadium Alloys with 14-MeV Neutrons at SNEG-13 Facility. Fusion Engineering and Design, vol. 58-59, pp. 591-594.

14. Sadowski M. J., Scholz M. (2003) Comments on Status of Plasma Focus Research. Proc. Int. Workshop “Dense Magnetized Plasmas” (Warsaw, Poland, November 25-26, 2003).

15. Talamo A., Gohar Y, Sadovich S., Kiyavitskaya H., Bournos V, Fokov Y, Routkovskaya C. (2014) High enriched to low enriched fuel conversion in YALINA Booster facility. Progress in Nuclear Energy, vol. 70, pp. 43-53.

16. Stacey W. M. (2001) Capabilities of a DT Tokamak Fusion Neutron Source for Driving a Spent Nuclear Fuel Transmutation Reactor. Nuclear Fusion, vol. 41, pp. 135-154.

17. Daniel H., Petrov Yu. V. (1996) Subcritical Fission Reactor Driven by the Low Power Accelerator. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, vol. 373, pp. 31-134.

18. Kolomiec N. F. (1985) Investigation and Development of Metal-Tritium Neutron-Produced Targets for Accelerators of charged particles (Ph.D. thesis). Kyiv, Institute for Nuclear Research, 156 p.

19. Gulik V. I. (2012) The Model of Two-zone Research Subcritical Nuclear Reactor driven by High-Intensity Neutron Generator (Ph.D. thesis). Kyiv, Institute for Nuclear Research, 143 p.

20. Babenko V. A., Gulik V. F, Jenkovszky L. L., et al. (2005) Study of One-zone Subcritical Amplifier of Neutron Flux Involving Enriched Uranium. Problems of Atomic Science and Technology, vol. 45, no. 6, pp. 122-126.

21. Babenko V. A., Gulik V. I., Jenkovszky L. L., Pavlovych V. M., Pupirina E. A. (2006) On the Subcritical Amplifier of Neutron Flux Based on Enriched Uranium. In: Cechâk T., Jenkovszky L., Karpenko I. (eds.) Nuclear Science and Safety in Europe. Springer Heidelberg, pp. 253-263. doi: 10.1007/978-1-4020-4965-1_21.

22. Gulik V. I., Pavlovich V. N., Pupirina E. A., Babenko V. A. (2006) The Research Subcritical Reactor. Proc. Int. Conf. “Research Reactors in 21st century” (Moscow, Russia, June 20-23, 2006).

23. Briesmeister J. MCNP-A General Monte Carlo Code N-Particle Transport Code Version 4A, LA-12625. Los Alamos National Laboratory, 1993.

24. Babenko V. O., Gulik V. I., Pavlovych V. M., Pupirina O. M. (2006) Two-zone subcritical nuclear reactors. Problems of Nuclear Power Plants’ Safety and of Chornobyl, vol. 6, pp. 8-15.

25. Babenko V O., Gulik V I., Pavlovych V M. (2008) The Research Subcritical Reactor. Nuclear Physics and Atomic Energy, vol. 9, no. 1, pp. 56-61.

26. Babenko V. O., Gulik V. I., Pavlovych V. M. (2010) The New Research Subcritical Reactor driven by a High-intensity Neutron Generator for Transmutation of the Nuclear Waste. Proc. Int. Conf. “WM2010” (Phoenix, Arizona, US, 7-11 March, 2010).

27. Babenko V. O., Gulik V. I., Pavlovych V. M. (2012) Modeling of Two-zone Accelerator-Driven Systems. Nuclear Physics and Atomic Energy, vol. 13, no. 3, pp. 266-275.

28. Babenko V. O., Gulik V. I., Pavlovych V. M., Rybalova A. P. (2011) About Possibility of Nuclear Waste Transmutation in Subcritical System Driven by High-Intensity Neutron Generator. Problems of Nuclear Power Plants’ Safety and of Chornobyl, vol. 16, pp. 8-16.

29. Babenko V. O., Gulik V. I., Pavlovych V. M. (2012) The Transmutation of Nuclear Waste in the Two-Zone Subcritical System Driven by High-Intensity Neutron Generator. Proc. Int. Conf. “WM2012” (Phoenix, Arizona, US, February 26 -March 1, 2012).

30. Leppânen J., Pusa M., Viitanen T., Valtavirta V., Kaltiaisenaho T. (2015) The Serpent Monte Carlo code: Status, development and applications in 2013. Annals of Nuclear Energy, vol. 82, pp. 142-150.

31. Gulik V., Tkaczyk A. H. (2013) Optimization of Geometry, Material and Economic Parameters of a Two-Zone Subcritical Reactor for Transmutation of Nuclear Waste with SERPENT Monte Carlo Code. Proc. Int. Conf. Supercomputing in Nuclear Applications & Monte Carlo (SNA&MC2013) (Paris, France, October 27-31, 2013).

32. Gulik V., Tkaczyk A. H. (2014) Cost Optimization of ADS Design: Comparative Study of Externally Driven Heterogeneous and Homogeneous Two-Zone Subcritical Reactor Systems. Nuclear Engineering and Design, vol. 270, pp. 133-142.

Повна стаття (PDF)


Опубліковано
2019-05-31


Якщо стаття прийнята до друку в журналі «Ядерна енергетика та довкілля», автор має підписати угоду про передачу авторських прав. Угода надсилається на поштову (оригінал) або електронну адресу (сканована копія) Редакції журналу.

Всі матеріали поширюються на умовах ліцензії  Creative Commons Attribution License International CC-BY, яка дозволяє іншим розповсюджувати роботу з визнанням авторства цієї роботи і першої публікації в цьому журналі.

Insert math as
Block
Inline
Additional settings
Formula color
Text color
#333333
Type math using LaTeX
Preview
\({}\)
Nothing to preview
Insert