prezentace diplomové práce autor: Martin Suchopár

Transkript

1 Příprava měřm ěření vlastností neutronového pole v okolí solného kanálu umíst stěného v aktivní zóně reaktoru LR- pomocí neutronové aktivační analýzy prezentace diplomové práce autor: Martin Suchopár vedoucí práce: RNDr. Vladimír r Wagner, CSc. konzultant: Ing. Ondřej Svoboda Ústav jaderné fyziky Akademie věd v České republiky Katedra jaderných reaktorů fakulty jaderné a fyzikáln lně inženýrsk enýrské Českého vysokého učenu ení technického ho v Praze Jaderná energetika, transmutační a vodíkov kové technologie v pracích ch mladé generace Brno 21 1

2 Cíle práce zaměř ěřit se na přípravu p pravu experimentů s tekutými solemi v oblasti studia rozložen ení pole neutronů pomocí aktivačních detektorů seznámit se s projektem vložného solného kanálu na reaktoru LR- a s koncepcí reaktoru PB-AHTR (pokročilý vysokoteplotní reaktor s kulovým ložem chlazený tekutou solí) pomocí výpočetn etního kódu k MCNPX provést simulace rozložen ení pole neutronů ve vložen eném m solném m kanálu v aktivní zóně reaktoru LR- vybrat materiály a umíst stění aktivačních detektorů pro měřm ěření rozložen ení neutronového pole podél l solného kanálu provést simulace produkce radioizotopů pro vybrané typy materiálů aktivačních detektorů provést simulace rozložen ení pole neutronů v bloku palivových kanálů reaktoru PB-AHTR 2

3 Reaktory AHTR a MSR Požadavky kladené na tekuté soli týkající se jejich složen ení a vlastností se liší podle způsobu jejich aplikace Reaktor MSR (Molten( Salt Reactor) ) používá v primárn rním m okruhu tekuté soli obsahující štěpný, pný, případnp padně i množivý materiál, který slouží zároveň jako palivo i chladivo Reaktor AHTR (Advanced( High-Temperature Reactor) ) používá vysokoteplotní palivo v grafitové matrici, podobně jako reaktory chlazené heliem, ale chlazení je zajištěno roztavenou fluoridovou solí o vysoké teplotě bez obsahu štěpitelného materiálu Reaktor PB-AHTR (Pebble( Bed Advanced High-Temperature Reactor) modulárn rní nebo integráln lní konstrukce používá vysokoteplotní palivo ve formě grafitových koulí naplněných ných potahovanými palivovými částicemi sticemi TRISO (TRistructural( ISOtropic particle) 3

4 Termofyzikáln lní vlastnosti: teplota tánít tlak nasycených par hustota tepelná kapacita viskozita tepelná vodivost Jaderné vlastnosti: parazitická absorpce neutronů moderace neutronů krátkodob tkodobá aktivace dlouhodobá aktivace Vlastnosti tekutých solí 4

5 Požadavky kladené na tekuté soli Prvky tvořící tekuté soli musí mít t nízký n účinný inný průř ůřez pro absorpci tepelných neutronů Transportní vlastnosti směsi si solí musí zajistit efektivní odvádění vytvářen eného tepla Teplota tánít směsi si solí by neměla být přílip liš vysoká Termodynamická stabilita do oblasti vysokých teplot Chemická stabilita při p i provozních teplotách Radiační odolnost Nízká těkavost kavost (nízký tlak sytých par) Absence explozivních exotermických reakcí způsobených kontaktem s vodou, vzduchem a jinými látkami l v reaktoru Kompatibilita s konstrukčními materiály (slitiny niklu) a moderátorem (grafit) Směs s solí v MSR musí rozpouštět t dostatečná množstv ství štěpných pných materiálů 5

6 Vlastnosti tekutých solí Tři i základnz kladní typy solí vykazující vhodné termodynamické a neutronické vlastnosti a materiálovou kompatibilitu se slitinami používanými v reaktorech jsou: fluoridy alkalických kovů (LiF, NaF, RbF) soli obsahující ZrF 4 soli obsahující BeF 2 Tyto soli se používaj vají ve dvou- nebo třísložkových směsích 6

7 Vlastnosti tekutých solí Lehčí soli (s nižší ším m atomovým číslem Z) vykazují: lepší vlastnosti týkající se přenosu p enosu tepla i jaderné vlastnosti větší koeficienty zpomalení Těžké soli (s velkým atomovým číslem Z) vykazují: menší tepelné kapacity a tepelné vodivosti významnější aktivační a transmutační produkty Nicméně všechny uvedené soli jsou relativně dobrá teplonosná média

8 Jaderné vlastnosti složek tekutých solí Alkalické fluoridy (LiF( LiF, NaF,, KF, RbF) Soli obsahující draslík: nehodí se jako primárn rní chladivo, protože e draslík k mám relativně velký parazitický účinný průř ůřez pro absorpci tepelných neutronů lze použít t jako sekundárn rní chladivo Soli obsahující lithium: přírodní složen ení lithia: 92,5 % 7 Li, 7,5 % 6 Li lithium je třeba t obohatit izotopem 7 Li kvůli relativně velkému parazitickému účinnému průř ůřezu pro záchyt z tepelných neutronů izotopu 6 Li LiF obohacený izotopem 7 Li mám lepší neutronické vlastnosti než NaF, RbF nebo KF 8

9 Program EROS EROS = Experimental zero power Salt reactor SR- Program slouží k experimentáln lnímu ověř ěření vložných zón z demonstrační jednotky typu MSR v reaktoru LR- V rámci projektu SPHINX bylo v ÚJV Řež,, a.s. provedeno 5 experimentů s moduly označenými enými EROS 1 aža EROS 5 vloženými do aktivní zóny reaktoru LR- Moduly se lišily ily počtem a konfigurací jednotlivých bloků, množstv stvím m soli a grafitu obsažených v aktivní zóně a počtem a obohacením m palivových článků Rozložen ení hustoty toku a spektrum neutronů v hnací zóně a v solných kanálech bylo zkoumáno pomocí 3 metod: aktivační metody, gama skenovací metody palivových tyčí a termoluminiscenčních ch detektorů 9

10 Simulace solného kanálu pomocí MCNPX Simulované uspořádání se nejvíce podobá experimentu EROS 2 Solný kanál l o výšce 6 mm obklopený 6 zkrácenými palivovými soubory VVER-1 s obohacením m 4,4 % 235 U Solný kanál l je tvořen en 7 sekcemi vyrobenými z hliníku Jednotlivé sekce byly vyplněny ny směsí solí LiF-NaF o složen ení 6-4 molárn rních % a poté směsí solí LiF-BeF 2 o složen ení molárn rních % Sůl LiF má přírodní složen ení 92,5 % 7 Li, 7,5 % 6 Li, nebo se jedná o sůl s 7 LiF obohacenou izotopem 7 Li na 99,995 % v případp padě LiF-NaF i LiF-BeF 2 24 měřm ěřících ch kanálů s 8 vloženými sondami po průměru ru solného kanálu Experimentáln lní hliníkov kové sondy se 3 pozicemi pro aktivační fólie ve třech t ech různých výškách nad dnem solného kanálu Do experimentáln lních sond jsou vložen ené aktivační fólie z vybraných aktivačních materiálů 1

11 Simulace solného kanálu pomocí MCNPX Solný kanál l obklopený palivovými soubory horizontáln lní a vertikáln lní řez uspořádáním 11

12 Výsledky simulací (1/1) rozložen ení pole neutronů (1/4) solný kanál l s náplnn plní nat LiF-NaF horizontáln lní řez,5 ev,5 ev 1 kev 1 kev 1 kev 6 cm +6 cm +6 cm -6 cm +6 cm -6 cm +6 cm -6 cm +6 cm 1 kev 1 kev 1 kev 1 MeV 1 MeV 2 MeV 6 cm +6 cm +6 cm -6 cm +6 cm -6 cm +6 cm -6 cm cm

13 Výsledky simulací (2/1) rozložen ení pole neutronů (2/4) solný kanál l s náplnn plní 7 LiF-NaF horizontáln lní řez,5 ev,5 ev 1 kev 1 kev 1 kev 6 cm +6 cm +6 cm -6 cm +6 cm -6 cm +6 cm -6 cm +6 cm 1 kev 1 kev 1 kev 1 MeV 1 MeV 2 MeV 6 cm +6 cm +6 cm -6 cm +6 cm -6 cm +6 cm -6 cm cm

14 Výsledky simulací (3/1) rozložen ení pole neutronů (3/4) solný kanál l s náplnn plní nat LiF-NaF vertikáln lní řez,5 ev,5 ev 1 kev 1 kev 1 kev 8 cm +8 cm +8 cm cm +6 cm -2-6 cm +6 cm -2-6 cm +6 cm 1 kev 1 kev 1 kev 1 MeV 1 MeV 2 MeV 8 cm +8 cm +8 cm cm +6 cm -2-6 cm +6 cm -2-6 cm cm

15 Výsledky simulací (4/1) rozložen ení pole neutronů (4/4) solný kanál l s náplnn plní 7 LiF-NaF vertikáln lní řez,5 ev,5 ev 1 kev 1 kev 1 kev 8 cm +8 cm +8 cm cm cm -6 cm +6 cm -6 cm +6 cm 1 kev 1 kev 1 kev 1 MeV 1 MeV 2 MeV 8 cm +8 cm +8 cm cm +6 cm -2-6 cm +6 cm -2-6 cm cm

16 Výsledky simulací (5/1) spektra neutronů (1/2) solný kanál l s náplnn plní nat LiF-NaF - aktivační fólie v prostředn edních pozicích ch hliníkových sond v experimentáln lních kanálech kanál 2 kanál 4 kanál 1 kanál 3 16

17 Výsledky simulací (6/1) spektra neutronů (2/2) solný kanál l s náplnn plní 7 LiF-NaF - aktivační fólie v prostředn edních pozicích ch hliníkových sond v experimentáln lních kanálech kanál 5 kanál 7 kanál 6 kanál 8 17

18 Aktivační detektory Aktivační materiál Reakce Relativní zastoupení v přírodní směsi [%] Poločas přeměny produktu T 1/2 Energie hlavní gama linky Eγ [kev] Relativní intenzita hlavní gama linky Iγ [%] Práh reakce [MeV] 197 Au 197 Au(n,γ) 198 Au 1 2,69517 dne 411, In 115 In(n,γ) 116m In 95,7 54,29 min 1293,6 84,4 115 In 115 In(n,n ) 115m In 95,7 4,486 hod 336,2 45,8,5 55 Mn 55 Mn(n,γ) 56 Mn 1 2,5785 hod 846,8 98,9 58 Ni 58 Ni(n,p) 58 Co 68,1 7,86 dne 81,8 99 1, 27 Al 27 Al(n,α) 24 Na 1 14,959 hod 1368,6 1 5,5 27 Al 27 Al(n,p) 27 Mg 1 9,458 min 843,7 71,8 1,9 63 Cu 63 Cu(n,γ) 64 Cu 69,2 12,7 hod 1345,8,47 98 Mo 98 Mo(n,γ) 99 Mo 24,1 65,94 hod 14,5 89,4 186 W 186 W(n,γ) 187 W 28,6 23,72 hod 685,8 27,3 56 Fe 56 Fe(n,p) 56 Mn 91,7 2,5785 hod 846,8 98,9 5, 164 Dy 164 Dy(n,γ) 165 Dy 28,2 2,334 hod 94,7 3, Lu 175 Lu(n,γ) 176m Lu 97,4 3,635 hod 88,3 8,9 139 La 139 La(n,γ) 14 La 99,9 1,6781 dne 1596,2 95,4 89 Y 89 Y(n,γ) 9m Y 1 3,19 hod 22,5 97,3 51 V 51 V(n,γ) 52 V 99,8 3,743 min 1434, Sc 45 Sc(n,γ) 46 Sc 1 83,79 dne 112,5 99,99 37 Cl 37 Cl(n,γ) 38 Cl 24,2 37,24 min 2167,4 42,4 18

19 Výsledky simulací (7/1) výtěž ěžky reakcí na aktivačních materiálech v nat LiF-NaF (n,g) reakce Výtěžek reakce [1-5 g -1 n -1 ] Výtěžek reakce [1-5 g -1 n -1 ] 4,4 4, 3,6 3,2 2,8 2,4 2, 1,6 1,2,8,4, 4,4 4, 3,6 3,2 2,8 2,4 2, 1,6 1,2,8,4, Horní pozice horní pozice Střední pozice 197Au(n,g)198Au 55Mn(n,g)56Mn 63Cu(n,g)64Cu 98Mo(n,g)99Mo 186W(n,g)187W 115In(n,g)116In 139La(n,g)14La střední pozice 197Au(n,g)198Au 55Mn(n,g)56Mn 63Cu(n,g)64Cu 98Mo(n,g)99Mo 186W(n,g)187W 115In(n,g)116In 139La(n,g)14La Výtěžek reakce [1-5 g -1 n -1 ] Výtěžek reakce [rel. j.] 4,4 4, 3,6 3,2 2,8 2,4 2, 1,6 1,2,8,4, 1,2 1,,8,6,4,2, Dolní pozice dolní pozice 197Au(n,g)198Au 55Mn(n,g)56Mn 63Cu(n,g)64Cu 98Mo(n,g)99Mo 186W(n,g)187W 115In(n,g)116In 139La(n,g)14La Střední pozice střední pozice relativně 197Au(n,g)198Au 55Mn(n,g)56Mn 115In(n,g)116In

20 Výsledky simulací (8/1) výtěž ěžky reakcí na aktivačních materiálech v nat LiF-NaF (n,p) reakce horní pozice dolní pozice Horní pozice 58Ni(n,p)58Co 56Fe(n,p)56Mn Dolní pozice 58Ni(n,p)58Co 56Fe(n,p)56Mn Výtěžek reakce [1-8 g -1 n -1 ] 6, 5, 4, 3, 2, 1, 56Mn 5, střední pozice Výtěžek reakce [1-8 g -1 n -1 ] 6, 5, 4, 3, 2, 1, 56Mn 5, střední pozice relativně Střední pozice 58Ni(n,p)58Co 56Fe(n,p)56Mn Střední pozice 58Ni(n,p)58Co 56Fe(n,p)56Mn Výtěžek reakce [1-8 g -1 n -1 ] 6, 5, 4, 3, 2, 1, 56Mn 5, Výtěžek reakce [rel. j.] 1,2 1,,8,6,4,2,

21 Výsledky simulací (9/1) výtěž ěžky reakcí na aktivačních materiálech v 7 LiF-NaF (n,g) reakce Výtěžek reakce [1-4 g -1 n -1 ] Výtěžek reakce [1-4 g -1 n -1 ] 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, Horní pozice horní pozice 197Au(n,g)198Au 55Mn(n,g)56Mn 63Cu(n,g)64Cu 98Mo(n,g)99Mo 186W(n,g)187W 115In(n,g)116In 139La(n,g)14La Střední pozice střední pozice 197Au(n,g)198Au 55Mn(n,g)56Mn 63Cu(n,g)64Cu 98Mo(n,g)99Mo 186W(n,g)187W 115In(n,g)116In 139La(n,g)14La Výtěžek reakce [1-4 g -1 n -1 ] Výtěžek reakce [rel. j.] 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, 1,2 1,,8,6,4,2, Dolní pozice dolní pozice 197Au(n,g)198Au 55Mn(n,g)56Mn 63Cu(n,g)64Cu 98Mo(n,g)99Mo 186W(n,g)187W 115In(n,g)116In 139La(n,g)14La Střední pozice střední pozice relativně 197Au(n,g)198Au 55Mn(n,g)56Mn 115In(n,g)116In

22 Výsledky simulací (1/1) výtěž ěžky reakcí na aktivačních materiálech v 7 LiF-NaF (n,p) reakce horní pozice dolní pozice Horní pozice 58Ni(n,p)58Co 56Fe(n,p)56Mn Dolní pozice 58Ni(n,p)58Co 56Fe(n,p)56Mn Výtěžek reakce [1-8 g -1 n -1 ] 6, 5, 4, 3, 2, 1, 56Mn 5, střední pozice Výtěžek reakce [1-8 g -1 n -1 ] 6, 5, 4, 3, 2, 1, 56Mn 5, střední pozice relativně Střední pozice 58Ni(n,p)58Co 56Fe(n,p)56Mn Střední pozice 58Ni(n,p)58Co 56Fe(n,p)56Mn Výtěžek reakce [1-8 g -1 n -1 ] 6, 5, 4, 3, 2, 1, 56Mn 5, Výtěžek reakce [rel. j.] 1,2 1,,8,6,4,2,

23 Simulace souboru palivových kanálů modulárn rního reaktoru PB-AHTR pomocí MCNPX Simulované uspořádání je podobné experimentu provedenému v rámci r projektu EROS V programu MCNPX byl modelován n soubor palivových kanálů (PCA) o výšce 22 cm obklopený radiáln lním m grafitovým reflektorem s přilehlými částmi dolního a horního pléna PCA obsahuje 19 palivových kanálů o průměru ru 19,8 cm vyplněných ných palivovými koulemi rozmíst stěnými ve sloupcích ch nad sebou a plovoucími v soli LiF-BeF 2 obohacené izotopem 7 Li Pro srovnání byl modul naplněn n také solí LiF-NaF použitou v testovacím m souboru v projektu EROS Palivové koule mají vnější průměr r 3 cm a skládaj dají se ze 3 vrstev: uhlíkov kového vnitřního jádra, j vnější šího obalu z grafitu jaderné kvality a prstencové mezivrstvy paliva ve formě UCO s obohacením m 1 % homogenně rozptýleného v grafitové matrici 23

24 Simulace modulu PB-AHTR pomocí MCNPX Horizontáln lní a vertikáln lní řez souborem palivových kanálů (PCA) modulárn rního reaktoru PB-AHTR 24

25 Výsledky simulací modulu PB-AHTR (1/3) rozložen ení pole neutronů (1/3) soubor palivových kanálů s náplnn plní 7 LiF-BeF 2 vertikáln lní řez,5 ev,5 ev 1 kev 1 kev 1 kev cm +6 cm -6 cm +6 cm -6 cm +6 cm 1 kev 1 kev 1 kev 1 MeV 1 MeV 2 MeV cm +6 cm -6 cm +6 cm -6 cm cm

26 Výsledky simulací modulu PB-AHTR (2/3) rozložen ení pole neutronů (2/3) soubor palivových kanálů s náplnn plní 7 LiF-BeF 2 horizontáln lní řez,5 ev,5 ev 1 kev 1 kev 1 kev 6 cm +6 cm +6 cm -6 cm +6 cm -6 cm +6 cm -6 cm +6 cm 1 kev 1 kev 1 kev 1 MeV 1 MeV 2 MeV 6 cm +6 cm +6 cm -6 cm +6 cm -6 cm +6 cm -6 cm cm

27 Výsledky simulací modulu PB-AHTR (3/3) rozložen ení pole neutronů (3/3) soubor palivových kanálů s náplnn plní nat LiF-NaF horizontáln lní řez,5 ev,5 ev 1 kev 1 kev 1 kev 6 cm +6 cm +6 cm -6 cm +6 cm -6 cm +6 cm -6 cm +6 cm 1 kev 1 kev 1 kev 1 MeV 1 MeV 2 MeV 6 cm +6 cm +6 cm -6 cm +6 cm -6 cm +6 cm -6 cm cm

28 Shrnutí práce se zabývala přípravou p pravou další ších experimentů se solným kanálem s fluoridovou náplní plánovaných na reaktoru LR-, které by měly m navazovat na experimenty uskutečněné v minulých letech bylo vybráno několik n kolik různých r aktivačních materiálů a pozice pro umíst stění aktivačních detektorů pro měřm ěření rozložen ení neutronového pole podél solného kanálu simulace byly provedeny pro směsi si solí LiF-NaF a LiF-BeF 2 s přírodnp rodním izotopickým složen ením m lithia i se solnou náplnn plní obohacenou izotopem 7 Li pomocí výpočetn etního kódu k MCNPX byly provedeny simulace rozložen ení neutronového pole ve vložen eném m solném m kanálu v aktivní zóně reaktoru LR- a spekter neutronů a výtěž ěžků vybraných reakcí v místm stě aktivačních detektorů a byl navržen eventuáln lní plán n měřm ěření byly provedeny simulace rozložen ení pole neutronů v bloku palivových kanálů modulárn rního reaktoru PB-AHTR 28

29 Děkuji za pozornost 29