Содержание к диссертации
Введение
I. Исследования радиационных эффектов в водородсодержащих веществах при низких температурах 13
1.1. Описание установки 14
1.2. Основные параметры установки УРАМ-2 18
1.3. Обработка и анализ полученных экспериментальных данных 19
1.3.1. Спонтанные и индуцированные реакции рекомбинаций радикалов 19
1.3.1.1. Обработка данных 21
1.3.1.2. Результаты анализа 23
1.3.2. Накопление водорода 27
1.3.3. Поведение теплопроводности льда под облучением 28
П. Замедление нейтронов (термализация и сечения взаимодействия холодных нейтронов) 32
П.1. Термализация нейтронов 32
И.2. Библиотеки нейтронных сечений 36
И.З. Сравнение нейтронных сечений приготовленных разными группами посредством их использования в программе MCNP .42
III. Оптимизация конфигурации комплекса замедлителей нейтронов реактора ИБР-2М 46
III. 1. Получение результатов при использовании программы транспорта нейтронов MCNP 47
Ш.2. Оптимизация толщины холодного замедлителя по интенсивности утечки холодных нейтронов 50
Ш.З. Расчетная оптимизация конфигурации комплекса замедлителей нейтронов реактора ИБР-2М 58
Ш.3.1. Оптимизация конфигурации комплекса замедлителей для каналов №№ 1, 2,4-6, 9 60
Ш.З.2. Оптимизация конфигурации комплекса замедлителей для каналов №№7,8,10,П 76
ІІІ.4. Расчеты тепловыделения в холодных замедлителях нейтронов реактора ИБР-2М... 83
Заключение 90
Литература
- Обработка и анализ полученных экспериментальных данных
- Накопление водорода
- Сравнение нейтронных сечений приготовленных разными группами посредством их использования в программе MCNP
- Оптимизация толщины холодного замедлителя по интенсивности утечки холодных нейтронов
Введение к работе
В замедлителях нейтронов осуществляется снижение энергии быстрых нейтронов источника вплоть до их термализации, создавая нужный спектр внешних нейтронных пучков. Наиболее востребованы для новых проектов интенсивных нейтронных источников «холодные» замедлители с температурой замедляющего вещества 20К+100К, которые дают повышенный выход «холодных» нейтронов с длиной волны более 4 А. Оптимизация размещения, толщины самих холодных замедлителей и предзамедлителей, использование эффектов «нейтронная пушка» и гребенчатых постзамедлителей дает дополнительный выход холодных нейтронов без существенных экономических затрат. В ныне действующих замедлителях в качестве замедляющего вещества используют обычную воду, жидкий водород [1-3], жидкие углеводороды (метан, пропан [4]), твердый метан [5]. Возможно также применение льда, полиэтилена, замороженных смесей метана с инертным газом или ненасыщенными углеводородами, метана в цеолитах, гидратов метана, аммиака, ароматических углеводородов (в частности, триметилбензола (мезитилена)) и др.
Для замедления нейтронов до тепловых энергий как правило используется обычная вода, использования же материалов для холодных замедлителей затруднительно в связи с проблемами радиационной стойкости.
Наиболее технологичным и чаще всего применяемым веществом для криогенных замедлителей является жидкий водород, который используется в большинстве действующих на сегодняшний день холодных замедлителей. Главное его достоинство - отсутствие радиолиза и радиационных эффектов. Однако термализация нейтронов в жидководородном замедлителе происходит не полностью. Это объясняется отсутствием низко лежащих уровней возбуждения у молекулы водорода. К тому же водород взрывоопасен, что ограничивает круг его использования в особенности при использовании его на импульсном реакторе, поскольку импульсный реактор,
5 например ИБР-2, ~ в 40 раз более чувствителен к изменению его геометрии, чем реакторы стационарного действия
Метан оказывается более эффективным для замедления нейтронов потому что его молекула имеет низко лежащие вращательные (ротационные) уровни. Это, наряду с большой плотностью ядер водорода, делает метан по нейтронно-физическим свойствам наилучшим из всех до сих пор известных веществ (рис. 1, [ 6 ] ).
Ш I ».»->! 1 '" ' ^Hj Г" Т
-"--» Neutroo energy CmeV }
Рис. 1. Спектр нейтронов из различных материалов. 1 - СН4, 31 К; 2 -С6Н3(СН3)з, 25К; 3 - Н2,18К; 4 - Н20 30К. [6]
Выход холодных нейтронов из твердого метана при температуре 20 К в 2-3 раза выше, чем из водорода. Метан также удобен тем, что может быть использован в сравнительно широком интервале температур. В настоящее время на ИБР-2 действует один криогенный замедлитель с твердым метаном [7-9], используемый при температурах 30К - 70 К. Еще три замедлителя на твердом метане работают в США (Аргоннская Лаборатория, IPNS) и Японии (Цукуба, KENS) [5,10]. Главный же недостаток метана - низкая радиационная стойкость. В процессе работы метанового замедлителя на ИБР-2 по 2-3 раза в сутки необходимо менять температурный режим (для «выгонки» накопившегося водорода), что вызывает нестабильность нейтронного спектра. Каждые два дня производится замена метана в IPNS. Кроме того, ресурс работы метанового замедлителя невелик из-за накопления в камере смол - твердых продуктов радиолиза.
Из радиационных эффектов при облучении замороженных водородсодержащих газов и жидкостей при температурах 20-100 К наиболее существенны следующие четыре:
Образование радиолитического водорода; при отогреве расширяющийся газ водорода вызывает «распухание» твердой матрицы вещества замедлителя (метана, льда, мезителена и др.), которая может деформировать или даже разрушить металлические стенки камеры замедлителя [11,12].
Образование «замороженных» радикалов; при достижении их критической концентрации (которая достигается, например, в льде за 5 часов при мощности дозы 0.1 кГр/с) возможно развитие цепной реакции рекомбинации и, соответственно, саморазогрев вещества [13-19];
Образование высокомолекулярных, высококипящих продуктов, которые трудно удалить из камеры холодных замедлителей и которые могут накопиться в значительных количествах [5].
Снижение теплопроводности [20].
Применение новых веществ в холодных замедлителях нейтронов приводит к необходимости создания библиотек сечений взаимодействия этих веществ с нейтронами при низких температурах для дальнейшего их использования в моделировании и расчете источников нейтронов с криогенными замедлителями. В связи со сложностью динамики взаимодействия медленных нейтронов с веществом при низких температурах, приготовление таких библиотек является нетривиальной задачей, для решения которой существует несколько методик [21-23]. Чтобы быть уверенным что созданные библиотеки адекватно описывают динамику взаимодействия молекул вещества с нейтронами, необходима их верификация путем сопоставления результатов экспериментов с результатами расчетов при использовании модели экспериментальной установки и библиотек верифицируемых материалов.
Целью диссертационной работы является оптимизация комплекса замедлителей нейтронов реактора ИБР-2М. Указанная цель достигается решением следующих основных задач:
Первая задача состоит в том чтобы в результате экспериментального анализа найти наиболее радиационностойкие материалы среди эффективно замедляющих нейтроны материалов (т.е. получить значения интенсивности накопления радикалов и водорода в материалах для холодных замедлителей нейтронов; температур, при которых возможна работа с материалами без появления спонтанных реакций рекомбинаций; оценить температуры, при которых водород начинает выходить из материала после облучения).
Вторая задача - описав 3D геометрию реактора ИБР-2М и окружения в формате для расчета транспорта нейтронов программой MCNP [24], сравнить наиболее эффективные толщины для разных материалов и дать ответ о том, какой материал наиболее подходящий для использования в холодных замедлителях реактора ИБР-2М с учетом радиационных эффектов.
Третья задача расчетным путем провести оптимизацию конфигурации холодных и тепловых замедлителей нейтронов реактора ИБР-2М с целью удовлетворения требований к спектрам нейтронов и получения наиболее интенсивного потока нейтронов для исследовательских каналов реактора ИБР-2М 1-го, 2-го, с 4-го по 11-ый.
Структура диссертации представляется в следующем виде. Диссертация изложена на 97 страницах и состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 57 наименований. Диссертация включает 54 рисунка и 5 таблиц.
Первая глава начинается с изложения проблем, возникающих при использовании водородсодержащих материалов в высокоинтенсивных радиационных полях. Далее приводится описание облучательной установки для исследований радиационных эффектов в материалах холодных замедлителей, приводятся параметры при которых проводились эксперименты.
Во второй части представлены результаты экспериментов с метаном, водой и мезитиленом, а именно: показаны графики зависимости показания термопар во время спонтанных и индуцированных реакций рекомбинаций радикалов, методы, с помощью которых проводился анализ полученных из экспериментов данных, а также результаты проведенного анализа (скорости накоплений водорода и запасаемой энергии, приведены процентные соотношения величины запасенной энергии от полученной дозы, время продолжительности быстрой реакции рекомбинаций, экстраполированное значение насыщения по энергии, а также проведена оценка величины коэффициента теплопроводности в льде).
Вторая глава посвящена некоторым вопросам термализации нейтронов. В ней приводится результат анализа максимально возможного выигрыша в потоке холодных нейтронов при использовании криогенных замедлителей нейтронов вместо замедлителей на основе воды комнатной температуры. Представлены данные о том, что из-за не полной термализации температура спектра нейтронов отличается от температуры среды, т.е. не происходит полная термализация и поэтому выигрыш от использования холодных замедлителей в реальных условиях эксплуатации будет несколько ниже, чем в идеальном случае.
Во второй части рассматриваются теоретические модели, которые были использованы при создании доступных для использования библиотек сечений взаимодействий нейтронов с веществом при энергиях нейтронов <4эВ. Учет эффектов химических связей в молекулах вещества особенно важен при проведении расчетов с материалами холодных замедлителей, поскольку оказывает сильное влияние на замедление нейтронов до более низких энергий.
Далее проводится сравнение результатов расчетов, полученных методом Монте Карло для материалов холодных замедлителей водорода и метана. В расчетах менялись только входные параметры относительно используемой библиотеки сечений для данного материала без изменения остальной входной информации: геометрии, температуры и т.д.
В третьей главе приводится краткое описание методов получения информации при использовании программы транспорта нейтронов MCNP [24].
Далее приводятся результаты расчетов по нахождению наиболее эффективных толщин для нескольких материалов одного из холодных замедлителей реактора ИБР-2М. Показывается выигрыш от использования холодного замедлителя по отношению к использованию замедлителя на основе воды комнатной температуры, в зависимости от энергии нейтронов. Проводится сравнение интенсивностей нейтронных утечек при наиболее эффективных толщинах материалов и делается вывод, что с учетом радиационных эффектов, накладывающих ограничения на использование метана в качестве материала холодного замедлителя, мезитилен является наиболее подходящим для этих целей материалом.
Далее проводится подробный анализ оптимизации размещения замедлителей для каналов №№ 4-6, 1, 9 с использованием эффектов от гребенчатого постзамедлителя: воды комнатной температуры и бериллия при Т=77К, эффекта «нейтронной пушки» и их сочетаний. Приводятся данные, полученные в результате оптимизации комплекса замедлителей для исследовательских каналов №№ 2,7, 8,10,11.
Для всех исследовательских каналов приводятся величины выигрыша в интегральной плотности потока нейтронов для этих каналов по сравнению с использованием плоских водяных замедлителей вместо криогенных.
В последней части главы приводятся расчетные данные о величине тепловыделения в холодных замедлителях и приводятся несколько вариантов, позволяющих ее уменьшить за счет изменения толщины предзамедлителя.
Полученные результаты будут использованы при создании комплекса замедлителей реактора ИБР-2М.
На защиту выносятся следующие основные результаты работы:
Условия эффективного использования различных материалов для криогенных замедлителей нейтронов для интенсивных источников.
Обоснование использования ароматических углеводородов для криогенных замедлителей реактора ИБР-2М.
Результаты оптимизации геометрии и композиции замедлителей для условий реактора ИБР-2М.
Результаты научных исследований прошли апробацию на 6-м
Международном совещании по перспективным холодным замедлителям АСоМ-6 (Юлих, Гемания, 2002); 10-м Симпозиуме по радиационной химии Tihany' (Сопрон, Венгрия, 2002); на Совместной летней школе ОИЯИ -Румыния по использованию нейтронов (охрана окружающей среды, физика конденсированных сред, ядерная физика) (Бая Маре, Румыния, 2002), на 16-ом Совещании международной коллаборации по современным источникам нейтронов ICANS-XVI (Дюсселдорф-Нойс, Германия, 2003); на четвертом Международном рабочем совещании «Ультрахолодные и холодные нейтроны. Физика & Источники» (С.Петербург, Россия, 2003); на 11-ой
Конференции по физической химии (Тимишоара, Румыния, 2003); Конференции молодых ученых и специалистов ОИЯИ (Дубна, 2005); на 17-ом Совещании международной коллаборации по современным источникам нейтронов ICANS-XVII (Нью Мексико, США, 2005); на Х-ой Конференции молодых ученых и специалистов ОИЯИ (Дубна, 2006), на семинарах НЭОФКС ЛНФ ОИЯИ; Института Ядерной Физики (ІКР) (г. Юлих, Германия), Университета Хоккайдо (г. Саппоро, Япония); лаборатории Резерфорд-Апплтон (Оксфордшир, Великобритания).
Результаты исследований, предоставленных в диссертации, опубликованы в следующих работах: E.Shabalin, V. Golikov, Е. Kulagin, S. Kulikov, V. Melikhov. Study of fast neutron radiation effects in cold moderator materials. Particles and Nuclei, Letters. 2002. No.5[114], 82-88 E. Shabalin, E. Kulagin, S. Kulikov, V. Melikhov. Experimental study of spontaneous release of accumulated energy in irradiated ices. Radiation Physics and Chemistry. Volume 67, Issues 3-4 , 2003, 315-319 E. Kulagin, S. Kulikov, V. Melikhov, E. Shabalin Radiation Effects In Cold Moderator Materials: Experimental Study of Accumulation and Release of Chemical Energy. Nuclear Instr. and Methods in Physics Research, B. 2004, Vol 215/1-2,181-186 E. Shabalin, S. Kulikov, V. Melikhov, E. Kulagin, Some Radiation Effects In Cold Moderator Materials, Experimental Study. In: Proceedings of 16th Meeting of the International Collaboration on Advanced Neutron Sources, May 12 - 15, 2003, Dusseldorf-Neuss, Germany. Edit. G. Mank, H. Conrad, Vol. II, p 911-919 K.N. Nunighoff, Ch. Pohl, V. Bollini, H. Conrad, D. Filges, F.Goldenbaum, S. Koulikov, at al. Ice moderator experiments at very low temperatures, Eur. Phys. J. A 22, 519-528 (2004)
12 Е.П. Шабалин, Е.Н. Кулагин, С.А. Куликов, В.В. Мелихов Радиационные эксперименты с водородсодержащими материалами на криогенной облучательной установке УРАМ-2 реактора ИБР-2. Атомная Энергия т. 97, вып. 3, (сентябрь 2004) стр. 183-189
Е.П. Шабалин, С.А. Куликов Холодный замедлитель нейтронов на основе ароматических углеводородов, Сообщения ОИЯИ, Е13-2004-73 (2004)
И.М. Баранов, И.И. Воронин, В.Г. Ермилов, Е.Н. Кулагин, С.А. Куликов, В.В. Мелихов, Р.Г. Пушкарь, Ро Ду Мин, Д.Е. Шабалин, Е.П. Шабалин, Изучение процесса выхода радиолитического водорода из экспериментального элемента холодного замедлителя на твердом мезитилене, Сообщения ОИЯИ, РЗ-2004-212 (2004) С.А. Куликов, Е.П. Шабалин, Сравнение эффективности материалов холодных замедлителей нейтронов для реактора ИБР-2М, Сообщения ОИЯИ, Р17-2005-222 (2005)
Обработка и анализ полученных экспериментальных данных
При облучении льда и метана при температурах 20К нами наблюдались как спонтанные, т.е. не спровоцированные внешним изменением условий реакции, так и индуцированные посредством незначительного изменения условий охлаждение образцов. Следует отметить, что возникновение спонтанных реакций рекомбинаций в льде наблюдалось впервые! Их возникновения в льде случались более часто, нежели в твердом метане, но время через которое происходила спонтанная реакция рекомбинаций в льде, не была постоянной величиной, а варьировались от 5 до 11 часов.
В исследованных образцах мезитилена ни спонтанных, ни индуцированных реакций рекомбинаций радикалов не наблюдалось, хотя некоторые образцы облучались до 45 часов (полученная доза 20 МГр).
Выделенная в результате реакций энергия регистрировалась во времени посредством термопар, установленных как в центре, так и снаружи образцов (Рис.3). Показания термопар во время развития спонтанных и индуцированных реакций рекомбинаций радикалов во льде приведены на рисунках 5 и 6 соответственно. - і і і і і і і і I і і r
Показания температур и расхода гелия во время индуцированной реакции рекомбинации радикалов в льде (1-температура гелия на входе в теплообменник капсулы, 2- температура стенок капсулы, 3-температура внутри образца) Показания температур и расхода гелия во время спонтанной реакции рекомбинации радикалов в льде (1-температура гелия на входе в теплообменник капсулы, 2- температура стенок капсулы, 3-температура внутри образца 4 - показания расхода гелия) Обработка данных
Обработка данных заключалась в нахождении из экспериментальных данных: энергии, выделившейся в результате реакции рекомбинации радикалов Qv и температуры начала реакций Tign . Оценка энергии, в зависимости от формы образца, осуществлялась посредством одного или сразу нескольких методов: - для тонкого слоя метана оценка Qv осуществлялась посредством сохранения баланса энергий в течении 1 сек после начала реакций рекомбинаций, считая что процесс адиабатический для образца и для стенок капсулы, поскольку тепло, отводимое гелием в течении такого короткого времени, ничтожно по сравнению с выделившейся энергией. methane( Си,тах) " methane methane где тиН - массы и теплосодержания метана и меди соответственно, Тііп - температура начала реакций рекомбинаций, Тентах - максимальная температура зафиксированная в меди во время реакции рекомбинации
При использовании данного метода оценки величина Qv принимается постоянной по всему объему образца, поскольку для тонкого слоя температура не сильно варьируется. - Посредством интегрирования отведенного гелием за время от начала реакций рекомбинаций и до момента восстановления температурного режима (за вычетом энергии вносимой посредством нейтронов и гамма квантов (4.5-5.2Вт)) тепла. Данный метод применим для оценки Qv при спонтанных реакциях рекомбинаций радикалов. - Для образцов, имеющих форму шарового сегмента в месте расположения центральной термопары, величина Qv может быть рассчитана по формуле: &V =1 methane Vmax) methane где Я -теплосодержание метана, Tign - температура начала реакций рекомбинаций, Ттах - максимальная зафиксированная температура.
Рассчитанная по такому методу величина Qv должна быть скорректирована ввиду того, что в объеме образца температура распределена неравномерно и осуществляется перенос тепла посредством теплопроводности. Величина данной корректировки оценена с помощью компьютерного моделирования нестационарной задачи переноса тепла и равна 104-15%.
Посредством компьютерного моделирования нестационарной задачи переноса тепла. Величина Qy(t) (экспериментальная, зависящая от времени величина) оценивается в процессе итераций до тех пор, пока тепловая энергия, перешедшая в медь, не сравняется с величиной энергии ушедшей из образца. ,гр \ d Cu і 1 samp q r\ ССи{ 1Си) 7 тСи +A,samp Т samp U, где Сси (Тси) - удельная теплоемкость меди; піси - масса меди; ТСи и Tsamp - температура меди и образца соответственно; Ssamp площадь граничной поверхности образца и медных стенок капсулы; Xsamp - коэффициент теплопроводности образца.
Посредством данного метода можно приближенно оценить длительность энерговыделения во время реакций рекомбинаций и распределение энорговыделения во времени.
Интенсивность накопления химической энергии радикалов в льде достигает R 20-24 Дж/г/ч, что составляет 5.4% ±0.4% от поглощенной дозы. Величина насыщения по энергии, зависящая от температуры, стремится к нулю при 7 ,,=45-50 К (получена экстраполяцией зависимости 0,(ТОблуч)), оказалась равной Q = 300 Дж/г при Т0блуч= 20 - 25 К. Чем выше температура облучения, тем короче время до насыщения : т[ ч] 0.53 (50 - Tirr). Как видно из рисунка 7, кривая насыщения энергии имеет экспоненциальную зависимость, однако насыщение не будет достигнуто, поскольку спонтанная реакция рекомбинаций возникнет раньше.
Накопление водорода
Проведенные эксперименты на облучательной установке УРАМ-2 позволили наблюдать температурные «всплески» в результате реакций рекомбинаций радикалов, накопленных в процессе облучения. Были оценены величины накопленных энергий в зависимости от времени облучения в льде, метане, мезитилене при температурах от 20 до 35К и температуры начала этих реакций. Впервые наблюдались спонтанные реакции рекомбинаций радикалов в льде.
Были получены данные о скорости накопления водорода при декомпозиции материала под облучением.
Наблюдалось падение теплопроводности льда под облучением и получены значения коэффициента теплопроводности в зависимости от времени облучения.
Основываясь на результатах экспериментов УРАМ-2, можно рекомендовать рабочие температуры для использования водородосодержащих материалов в качестве замедлителей нейтронов, которые позволяют избежать возникновения спонтанных реакций рекомбинаций радикалов (Табл. 2). Там же приведены данные о величине накопления радиолитического водорода и температуре, при которой он способен выходить из матрицы образца.
Отсутствие реакций рекомбинаций в мезитилене, а также малая по сравнению с метаном скорость накопления водорода позволяет рекомендовать его как наиболее подходящий с точки зрения радиационной стойкости материал для холодных замедлителей нейтронов.
Вторая глава посвящена рассмотрению некоторых вопросов термализации нейтронов. В ней приводится результат анализа максимально возможного выигрыша в потоке холодных нейтронов при использовании холодных замедлителей нейтронов вместо замедлителя на основе воды комнатной температуры. Представлены данные о том, что из-за не полной термализации температура спектра нейтронов отличается от температуры среды, поэтому выигрыш от использования холодных замедлителей будет несколько ниже, чем в идеальном случае.
Во второй части рассматриваются теоретические модели, которые были использованы при создании доступных для использования библиотек сечений взаимодействий нейтронов с веществом при энергиях нейтронов 4эВ. Учет эффектов химических связей в молекулах вещества особенно важен при проведении расчетов с материалами холодных замедлителей, поскольку оказывает сильное влияние на замедление нейтронов до более низких энергий.
Далее проводится сравнение результатов расчетов, полученных методом Монте Карло для материалов холодных замедлителей водорода и метана. В расчетах менялись только входные параметры относительно используемой библиотеки сечений для данного материала, без изменения остальной входной информации: геометрии, температуры и т.д.
В процессе замедления нейтронов, как только их энергия станет меньше чем энергия связей в материале ( 4эВ) холодного замедлителя, атомы не будут больше смещаться со своих позиций в результате столкновений с нейтронами, а энергия нейтронов будет уменьшаться за счет ее передачи элементарным возбуждениям твердого тела. Поэтому наличие низколежащих уровней возбуждения в молекулах вещества замедлителей является, также как и количество атомов водорода в единичном объеме, важным параметром при выборе материалов холодных замедлителей. Чем богаче спектр материала низкочастотными модами, тем больше нейтронов придут в термодинамическое равновесие со средой замедлителя
Сравнение нейтронных сечений приготовленных разными группами посредством их использования в программе MCNP
Программа MCNP с пакетом библиотек сечений позволяют выдавать пользователю полученную расчетом информацию в виде таблиц с данными, в зависимости от условий постановки задачи и запросов пользователя. В проведенных расчетах были использованы несколько типов выходных данных в зависимости от того, что требовалось получить из того или иного расчета.
Один из вариантов получаемых выходных данных - это сбор информации о пересекающих интересуемую поверхность частицах в соответствии с их текущим весом, углом и энергией. Они вычисляются по формуле: Fl = W ljj\j(r, E,t,M)dEdtdjudA Ац t Е где W- вес частицы; А - площадь поверхности; / - время; Е- энергия частицы; ju - абсолютное значение косинуса угла между нормалью к поверхности и траекторией частицы, jCnE,t,ju) = \ju\6Cr,E,t)A, а О (г, Е, t) - плотность потока нейтронов.
Точечный детектор - его работа заключается в том, что при каждом акте взаимодействия в соответствующую энергетическую группу счетчика событий добавляется вероятность, умноженная на текущий вес частицы и уменьшенная в соответствии с расстоянием и материалами на пути частицы к точечному детектору, того, что частица попадет в область с площадью в 1см2. Fl = A- \j6(r,E,t)dEdt t Е A=W-p(ju)- ехр(-Д) l(2nR2), где W- вес частицы; p(/S) -функция плотности вероятности; у, - косинус угла между траекторией частицы и детектором; R - расстояние до детектора; R л - J /__, (s)ds . количество средних длин пробега до детектора; о - макроскопическое сечение взаимодействия t - время; Е- энергия частицы;
Точечный детектор использовался в случаях, когда было неизвестно с какой поверхности нейтроны могут попасть в неитроновод или же в случае использования в расчетах гребенчатых замедлителей. Точечный детектор обычно располагался на расстоянии 4.5м от интересуемого источника нейтронов. Энерговыделение в интересующем нас объеме с материалами за счет прохождения сквозь него различных частиц вычисляется по следующим формулам: F6 = W-l-H(E)-pu/m, H(E) = aT(E).Havs(E) для нейтронов: Havg (Е) = Е- Pl (E)[Eouti (Е) - Q, + Ёп (Е)] і для гамма квантов: где / - может быть 1- комптоновским рассеянием, 2- рождение пары с ;our=1.022016=2m0c2, 3- фотоэффект; pi(E) - вероятность возникновения реакции; Qi — энергия выделившаяся в результате деления; Ё - средняя энергия уносимая гамма квантами; Ёош - средняя энергия уносимая нейтронами; сгт - суммарное сечение реакций вызванных нейтронами; I - длина пробега; m — масса вещества; рй - атомная плотность вещества. Вся энергия переносимая электронами считается выделившейся локально. Последние версии программы позволяют получать данные о распределении по поверхности плотности потока частиц.
Во всех расчетах, представленных в данной диссертационной работе, сделанных с помощью программы MCNP, относительные статистические ошибки составляют менее 5%.
Оптимизация толщины холодного замедлителя по интенсивности утечки холодных нейтронов
Анализируя рисунок 33 (а, б) и рисунок 34 (а, б) приходим к выводу, что наличие проходов для 1 и 9 канала в водяном постзамедлителе приводит к изменению в распределении как тепловых так и холодных нейтронов по поверхности криогенного замедлителя, однако на интегральную интенсивность нейтронов в направлении канала №5 наличие данных проходов сказывается не значительно.
Сравнение результатов расчетов спектров нейтронов при использовании точечного детектора расположенного на расстоянии 4.5 метра от поверхности замедлителя для описанных в п. 1-3 изменениях в конфигурации замедлителей приведено на рисунке 35. 1Є11
Результаты расчета дифференциальной плотности потока нейтронов точечным детектором на расстоянии 4.5 метра от поверхности холодного замедлителя в направлении канала №5 при мощности реактора 2 МВт (квадраты - для п.1, треугольники для п.2, окружности - для п.З)
Из анализа результатов приведенных на рисунка 35 становится очевидным, что наибольшая утечка нейтронов, из приведенных вариантов, имеет место при варианте, описанном в п.З. 4) При композиции: п.1 + гребенчатый водяной постзамедлитель (толщина = 10см, высота гребней 1 см, высота впадин 1см) находящийся с фронтальной по отношению к центральным каналам стороне 5) Комбинация п.З и 4 Сравнение результатов расчетов для п. 1, 4 и 5 приведено на рисунке 36. Результаты расчета дифференциальной плотности потока нейтронов точечным детектором на расстоянии 4.5 метра от поверхности холодного замедлителя в направлении канала №5 при мощности реактора 2 МВт (квадраты - для п. 1, окружности для п. 4, треугольники - результат для п.5)
Анализ результатов расчетов п.4 и п.5 дает возможность заключить, что применение гребенчатого водяного постзамедлителя в сочетании с окружением из воды дают увеличение плотности потока холодных нейтронов по сравнению с только криогенным замедлителем на 15%, в то время как использование его без окружения водой не дает увеличения интегральной интенсивности холодных нейтронов. 6) При композиции: п.1 + гребенчатый постзамедлитель на основе бериллия при температуре 77К (толщина = 10см, высота гребней 1 см, высота впадин 1см) находящийся с фронтальной по отношению к каналам стороне. 7) Комбинация п.З и 6 (Рис.37 а, б) Часть горизонтального (а) (отметка 6.0 м) и вертикального центрального (б) сечений реактора ИБР-2М и окружения при геометрии комплекса замедлителей центрального направления описанном в п.7. Цифрами на рисунке (а) обозначены номера исследовательских каналов.
Спектры нейтронов полученных в результате расчетов при описанной в п.п. 1, 6, 7 геометриях комплекса замедлителей приведены на рисунке 38. При проведении расчетов с геометрией окружения криогенного замедлителя описанной в п.6 и п.7 была применена другая, более частая, разбивка на энергетические группы для того чтобы адекватно отобразился эффект «бериллиевого края», хорошо известный из литературы [1,7,11]. 1E-3 0,01 0,1 1
Результаты расчета плотности потока нейтронов точечным детектором на расстоянии 4.5 метра от поверхности холодного замедлителя в направлении канала №5 при мощности реактора 2МВт (окружности -результат для п. 6, квадраты - для п.7, треугольники для п.1)
Анализ результатов расчетов п.6 и п.7 дает возможность заключить, что применение гребенчатого холодного бериллиевого постзамедлителя в сочетании с окружением из воды дают увеличение плотности потока по сравнению с только холодным замедлителем. Такой же результат дает и использование его без окружения водой, но вариант описанный в п.7 дает больший выигрыш. Применение холодного бериллия гребенчатой формы обусловлено уменьшением эффекта «бериллиевого края» по сравнению с использованием бериллия в форме параллелепипеда [ 1 ].
Результаты расчета плотности потока нейтронов точечным детектором на расстоянии 4.5 метра от поверхности холодного замедлителя в направлении канала №5 при мощности реактора 2МВт (окружности - результат для п.5, квадраты - для п.7, треугольники для п. 3)
Из рисунка видно, что наилучший результат дает вариант с гребенчатым бериллиевым холодным постзамедлителем, но данный вариант может оказаться технически нереализуем ввиду дополнительной нагрузки на рефрижераторы, обеспечивающие центральное направление. Поэтому сравнение с замедлителем с водой комнатной температуры будем проводить для случая описанного в п.З (рис. 40). 1E10
Дифференциальные спектры нейтронов на расстоянии 4.5 метра от поверхности холодного замедлителя в направлении канала №5 при мощности реактора 2МВт. Квадраты - результат использования мезитиленового криогенного замедлителя в наилучшей конфигурации без бериллия; Окружности - результат использования воды комнатной температуры на месте холодного замедлителя.
