Введение к работе
Актуальность работы Развитие атомной энергетики и ее топливного цикла связано с разработкой инновационных реакторных установок и, как следствие, с расчетом ядерных данных Одной из задач, решение которой связано с применением инновационных реакторных установок, является задача переработки радиоактивных отходов (РАО), в том числе за счет трансмутации
В современной стратегии Федерального агентства РФ по атомной энергии в качестве ядерной энергетической установки (ЯЭУ) для задач трансмутации РАО и решения проблемы замыкания ядерного топливного цикла, в основном, рассматривается реактор на быстрых нейтронах (БН) Однако предлагаются и другие типы инновационных ре-акторов-трансмьютеров Одним из типов таких инновационных установок являются ЛС5-системы (Accelerator-Di iven System) - реакторные системы, управляемые внешним потоком высокоэнергетических заряженных частиц (в основном, протонов), которые, попадая в «тяжелую» мишень, в результате реакций глубокого расщепления образуют множество вторичных частиц и легких ядер, в том числе значительное количество нейтронов
В настоящее время пока не решен вопрос об эффективности использования ЛДУ-установок для задач трансмутации в сравнении с геологическими захоронениями Тем не менее, в качестве такого реактора в России разрабатывается каскадный подкритический жидкосо-левой реактор (КПЖСР), позволяющий осуществить три идеи безопасную подкритическую схему ядерного реактора, принцип каскадного размножения нейтронов и жидкосолевое топливо, с целью корректировки его состава без остановки реактора
Использование концепции жидкосолевого реактора (ЖСР) открывает перспективы улучшения ядерно-э"*ергетических технологий с точки зрения существенного сокращения с его помощью количества радиотоксичных долгожпвущнх отходов атомной энергетики Недостатки ЖСР связаны с самой концепцией реактора Прежде всего, реакторы с циркулирующими солями с минорными актинидами требуют более тщательно организованных мер для обеспечения радиационной безопасности Поэтому локализующие системы безопасности для таких реакторов могут оказаться более сложными и дорогими, как и сами реакторы по сравнению с традиционными
Реакторы-трансмыотеры характеризуются быстрым спектром, к тому же наличие пучка протонов с энергиями до 1 ГэВ и выше в ADS-системах изменяет требования к точности ядерных данных во всем диапазоне рассматриваемых энергий Кроме того, в указанном энергетическом диапазоне возникают новые проблемы, связанные с накоплением продуктов активации и глубокого расщепления, которые не рассматриваются в традиционных реакторных технологиях и ядерных данных для которых нет, либо они нуждаются в пересмотре
Поэтому при создании перспективных ЯЭУ для задач трансмутации необходимы новые или усовершенствованные оцененные ядерные данные, включая транспортные и активационные данные, в широком энергетическом диапазоне - до нескольких гигаэлектронвольт
Обеспечение полным набором достоверных ядерных данных является одной из актуальных научно-технических задач
Цель диссертационной работы - формирование константной базы и проведение теоретических расчетов для обеспечения задач обоснования и проектирования конкурентоспособных перспективных ЯЭУ
Задачи диссертационной работы
Проведение анализа выполненных проектов Международного
научно-технического центра (МНТЦ), посвященных проблеме
трансмутации
" Определение существующих потребностей в активационных и транспортных ядерных данных для проблем, связанных с расчетами перспективных ЯЭУ, в том числе для задач трансмутации РАО
Сравнение ряда ядерных моделей, описывающих нуклон-ядерное и ядро-ядерное взаимодействия, с экспериментальными данными, представленными в открытом доступе
Осуществление выбора моделей, выполнение на и\ основе теоретических расчетов и подготовка новых нейтронных файлов транспортных и активационных данных в формате ENDF-6
" Проведение расчетов основных нейтронно-физических характеристик (А"эфф, энерговыделения, нейтронных и протонных потоков) и оценки радиотоксичности материалов перспективной ЯЭУ -КПЖСР с внешним протонным источником с энергией 1 ГэВ
Научная новизна результатов исследования
Установлена целесообразность проведения экспериментальных и оценочных работ по четырем направлениям, связанным с задачами расчета перспективных ЯЭУ и трансмутацией
Получены новые активационные и транспортные нейтронные данные для широкого спектра нуклидов с Z = 1-84, существенно расширяющие возможности расчета характеристик перспективных ЯЭУ в диапазонах энергий 150-1 000 МэВ и 20-150 МэВ соответственно
Путем проведения статистического и факторного анализа обосновано использование моделей CASCADE, ISABEL, СЕМ2К, INCL4, Dresnei, Bertini и их комбинаций для расчета активациониых нейтронных данных для нуклидов с Z = 6-84 в области энергий 150-1000 МэВ
Впервые проведена оценка радиотоксичности материалов каскадного подкритического жпдкосолевого реактора, рассматриваемого в качестве установки для трансмутации
Даны количественные характеристики накопления трития и ИС в солевых зонах и графитовом отражателе каскадного подкритического жпдкосолевого реактора, а также оценки их радиотоксичности
Даны нептронно-фпзнческие количественные характеристики
предлагаемых вольфрамовых и свинцово-висмутовых мишеней
каскадного подкритического жпдкосолевого реактора
Достоверность результатов обеспечивается сравнением ядерных констант, рассчитанных и включенных в новые нейтронные транспортные и активационные файлы библиотек «Transport Recommended Files TREF» и «Intermediate Eneigy Activation File, IEAF-2005», с доступными из библиотеки «EXFOR» экспериментальными данными
Расчеты радиологической опасности КПЖСР и нейтронно-физических характеристик вольфрамовой мишени для его каскадно-мишенного узла проводились с использованием признанных в научной среде библиотек активациониых и транспортных ядерных данных «IEAF-2001» и «ENDF/B-VI»
На защиту выносятся
сформулированные предложения по направлениям необходимых
теоретических и экспериментальных исследований1 для проведе
ния расчетов и обоснования использования перспективных ЯЭУ
для задач трансмутации,
" результаты расчета транспортных и активационных файлов нейтронных данных, включенных в библиотеки «TREF» и «IEAF-2005», для энергетических диапазонов 20-150 МэВ и 150-1 000 МэВ соответственно,
результаты исследований радиотоксичности наиболее опасных
нуклидов, входящих в топливные композиции и конструкцион
ные материалы КПЖСР
Практическая ценность результатов работы:
" Обозначены приоритеты проведения экспериментальных и оценочных работ по направлениям, связанным с задачами трансмутации, нацеленные на повышение эффективности использования выделяемых государством и различными международными организациями ресурсов по данным направлениям
Подготовленные нейтронные данные могут использоваться для решения задач, связанных с задачами активационного анализа материалов и транспортом нейтронов при расчете конкурентоспособных перспективных ЯЭУ и топливных циклов, включающих в себя трансмутацию РАО
Количественные оценки радиотоксичности материалов и ней-тронно-физических характеристик каскадного подкритического жидкосолевого реактора могут быть основой для обоснования использования данного шпа реактора и/или отдельных его компонентов
Основными научными результатами, полученными лично
соискателем, являются
" Новые нейтронные активационные данные (полные сечения неупругих реакций, энергетические распределения коэффициентов выхода частиц и остаточных ядер в зависимости от энергии налетающего нейтрона) для 682 нуклидов с Z= I -84 в энергетическом диапазоне 150-1000 МэВ, рассчитанные с использованием про-
грамм MCNPX и CASCADE/INPE, записанные в формаїе CNDr-6 и представленные в библиотеке «IEAF-2005»
Новые нейтронные транспортные данные (полные сечения, сечения упругого рассеяния, полные сечения неупругих реакций, угловые распределения упругого рассеяния вторичных нейтронов, дифференциальные сечения продуктов реакций) для 242 нуклидов с Z=8-82 в энергетическом диапазоне 20-150 МэВ, рассчитанные с использованием программ ECIS и ALICE/ASH, записанные в формате ENDF-6 и представленные в библиотеке «TREF»
Сформулированные и конкретизированные четыре значимых приоритетных направления проведения необходимых экспериментальных и оценочных работ, связанных с задачами трансмутации, а именно получения новых и/или корректировки существующих ядерных данных для изотопов Th, U, Np, Pu и Am, оценке накопления редкоземельных изотопов в мишенях ADS-систем и их влияния на ядерную и радиационную безопасность систем, корректировке существующих и/или разработке новых моделей и создания константной базы для задач изучения радиационного повреждения различных материалов под действием заряженных частиц
Определенные значения радиотоксичности изотопов Np, Pu, Am,
Си, Bk и Cf, входящих в топливные композиции и конструкцион
ные материалы перспективной ЯЭУ - каскадного подкритическо-
го жидкосолевого реактора (КПЖСР), и накопления в зонах
КІІЖСР трития и ИС
Список научных публикации содержит опубликованные 5 статей и 2 доклада с основными результатами диссертации
Апробация результатов работы Основные результаты, полученные в рамках данной диссертационной работы, были представлены и обсуждались на
научно-технических конференциях «Научно-техническое сотрудничество» в рамках ежегодных научных сессий МИФИ, Москва, 2002-2004 гг
Международной конференции «Математические идеи П Л Чебышева и их приложение к современным проблемам есте-
ствознания», Обнинск, 2002 г * III Международном конгрессе «Энсргетика-3000», Обнинск, ИА-ТЭ, 2002 г
VIII и IX Международной конференции «Безопасность АЭС и подготовка кадров», Обнинск, ИАТЭ, 2003 г и 2005 г
Международной конференции «Ядерные энергетические технологии с реакторами на быстрых нейтронах», Обнинск, ГНЦ РФ ФЭИ, 2003 г
" Международной конференции «Тяжелые жидкометаллические теплоносители ТМЖТ», Обнинск, ГНЦ РФ ФЭИ, 2003 г
Международной конференции «Nuclear Data for Science and Technology (ND'2004)», США, Санта-Фе, 2004 г
Международной конференции «Accelerator Applications 2005», Италия, Венеция, 2005 г
Курчатовской научной школе, Москва, КИ, 2006 г
Семинаре по проблемам физики «Топливные циклы АЭС экономичность, безопасность, нераспространение», Москва, МИФИ, 2004 г и 2006 г
Втором международном симпозиуме COE-INES, Япония, Токио, 2006 г
Часть результатов были получены в рамках выполнения работ по программе межотраслевого сотрудничества Министерства образования Российской Федерации и Министерства Российской Федерации по атомной энергии по направлению «Научно-инновационное сотрудничество» в 2001-2004 гг, а таюке в рамках международного проекта № 2578 «Трансмутация РАО - состояние и потребности в обеспечении ядерными данными по проблеме Подходы к планированию экспериментов (реактор, мишень, бланкет)» при поддержке Международного научно-технического центра (МНТЦ)
Ст рут ура н объем диссертации. Диссертационная работа содержит введение, три главы и заключение Текст диссертации изложен на 139 печатных страницах, включает в себя 35 рисунков, 37 таблиц и список использованных источников из 104 наименований на 10 страницах
