Введение к работе
ту rr crj
Актуальность. Исследование физико-технических аспектов реакторных систем, связанных в нейтронно-физическом отношении одно из интересных и интенсивно развивающихся в последнее время направлений современной физики. Это связано, прежде всею, с созданием новых источников излучения, которые обладают необходимыми характеристиками для решения целого круга актуальных задач науки и техники. В этом плане большой интерес у исследователей вызывают так называемые бустерные системы типа «реактор - подкритнческая сборка», особенно работающие в импульсном периодическом или апериодическом режиме Можно выделить два больших научно-технических направления, где возможно эффективное применение реакторных установок связанного типа: 1) мощные энергетические лазеры и 2) ускорительно-управляемые системы.
1). Лазеры с накачкой от ядерного реактора Для решения этой проблемы уже более тридцати лет ведутся углубленные научные исследования по использованию ядерной энергии для накачки мощных лазеров. Эти работы начались практически одновременно в нашей стране (во Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (РФЯЦ - ВНИИЭФ)) и в США (Национальная лаборатория САНДИА). К настоящему времени выполнен большой комплекс фундаментальных расчетно-теорсгическнх и экспериментальных исследований в области лазеров с ядерной накачкой (ЛЯП) Начались работы по разработке и сооружению демонстрационных образцов ЛЯП. Так, в РФЯЦ - ВНИИЭФ создается ядерно-физическнй макет реактора-лазера непрерывного дейсівия с поперечной прокачкой лазерной среды. Продолжаются работы на комплексе ВИР-2М/ЛУНА с различными модификациями лазеров с ядерной накачкой Запущен экспериментальный многоканальный комплекс ЛМ-4/БИГР, на котором впервые получена непрерывная лазерная генерация на смеси Аг-Хе при ядерной накачке длительностью до 1.5 с. Во Всероссийском научно-исследовательском институте технической физики (РФЯЦ - ВНИИТФ) ведутся комплексные исследования по проблематике лазеров с ядерной накачкой В результате исследований достигнуты достаточно высокие уровни удельных (с единицы объема) характеристик лазерного излучения. Создан образец эксперимешального реакторно-лазерного устройства - ЭБР-Л. Ведутся работы по созданию лабораторной рсакторно-лазерной установки ЛИРА н перспективного запального импульсного реактора для мощных ЛЯП.
В 1986-1987 гг. в ГНЦ РФ - Физико-энергетический институт (ГНЦ РФ - ФЭИ) была сформулирована концепция лазерной системы, названная «Онзическим квантовым усилителем с ядерной накачкой» (ОКУЯН). Установка представляет собой спя таимую систему, состоящую из вынесенного подкрнтического лазерною блока, управляемою нейтронным по-
-WU НАЦИОНАЛЬНАЯ ЄИБЛИОТЕКА. ,
током запальною импульсною реактора В настоящее время на базе реакторно-лазерного стенда «Б» (основой стенда является двухтонный быстрый импульсный реактор БАРС-6, разработанный специалистами РФЯЦ - ШПШТФ) действует демонстрационный образец ОКУЯІІ уникальная трехтонная реакторная установка, не имеющая аналогов в мире. Полученные на ней новые данные позволили существенно продвинуться в понимании физики нестационарных нейтронно-физических процессов в связанных реакторных системах.
2). Ускорительно-управляемые системы. Вторая перспективная область атомной науки и техники, где реакторные устройства связанного типа могут найти широкое применение, это проблема утилизации младших актинидов и плутония с помощью ускорительно-управляемых систем. При этом предполагается, что наработанные радиоактивные отходы будут включены в состав топлива и помешены в активные зоны подкритических ядерных реакторов, управляемых внешним источником нейтронов, для дальнейшего выжигания. Исследования показывают, что для снижения требований к внешнему источнику нейтронов, обеспечения безопасного уровня энерговыделсиия в реакторной системе и достижения максимального уровня выгорания радиоактивных материалов перспективной может оказаться двухкаскадная установка на быстрых и тепловых нейтронах.
Несмотря на то, что в научной литературе имеется достаточно много работ, посвященных различным аспектам физики связанных реакторных систем (в России наиболее известны работы в этой области В.Ф.Колесова с соавторами, А.В.Лукнна, а также А.В.Гулевича с соавторами), задача создания комплексного программно-методического аппарата для анализа физики стационарных и нестационарных процессов в таких установках, обоснования их безопасности, оптимизации конструкции и т.п. является весьма актуальной. Следует отметить, что важность разработки такого инструмента и последующее проведение на его основе расчетно-теоретических исследований становится очевидной, учитывая тот факт, что полномасштабный демонстрационный образец лазерной системы с накачкой от импульсного реактора создается в настоящее время впервые в мире.
Состояние исследований. В результате анализа общего состояния вопроса по данной проблеме можно прийти к выводу, что к моменту начала работы над диссертацией в конце 80-х годов основы комплексного анализа динамики связанных реакторных систем не были полностью разработаны. Не был решен ряд важных теоретических и методических вопросов, таких как: обоснование подходов к построению математических моделей динамики реакторных установок рассматриваемого типа и эффективности применения различных кинетических моделей при анализе пространственно-временных характеристик связанных систем типа «реактор - подкритическая сборка» импульсного действия; разработка методов расчета инте-
гральных характеристик (в том числе и оценка критичности) таких многозонных установок; разработка методов решения обратных задач идентификации как интегральных, так и временных характеристик реакторных установок связанного типа, а также алгоритмов восстановления реактивности системы связанных реакторов импульсного действия и т.д Вследствие этого, фактически отсугствовали программные комплексы и коды для математического моделирования динамики реакторных систем связанного типа. Важность проведення таких исследований и создание на их основе программно-методического аппарата для анализа, прогнозирования и оптимизации динамических характеристик многозонных реакторных установок определяется работами, проводимыми в настоящее время, по проектированию и созданию перспективных ядерных устройств различного целевого назначения, где планируется использование реакторных систем связанною шна, прежде всею бустерных установок типа «реактор - полкритическая сборка» (или систем, состоящих из подкритических сборок) Центральное место здесь занимаюі рабо і ы по созданию первою в мире полномасштабною энергетического образца ОКУЯН реакторно-лазерной системы стенда «Б»
Цели и задачи работы. В связи с вьішсскаїанньїм настоящая диссертационная работа посвящена решению важной научно-технической проблемы адекватною моделирования процессов нестационарного переноса нейтронов в многозонных мультиплицирующих системах; разработке и созданию расчетного и методического аппарата для решения задач анализа нейтронно-физическнх, кинетических и динамических характеристик связанных реакторных систем; обоснованию, отработке и тестированию этого обеспечения как на модельных задачах, так и с использованием имеющихся экспериментальных данных, и его применению для разрабагки новых реакюрных споем Особую практическую значимость имеег задача доказательства возможности прогнозирования динамических характеристик реакторных установок связанного типа, чго необходимо для проведения модернизации существующих систем и проектирования новых.
Научная новизна. В диссертации разработаны следующие методические вопросы:
-
выполнено усовершенствование математическою аппарата для численного анализа нен-тронно-физическнх характеристик многозонных реакторных систем и дано расчетно-теоретическое обоснование магемашческих моделей динамики реакторных установок рассматриваемого типа;
-
впервые обоснована эффективность применения модифицированной ніііеіральной модели нейтронной кинетики для решения задач численною моделирования процессов нестационарною переноса ней фонов в реакюрных установках сыпанною шна;
-
впервые разработаны методы оценки критичности в связанных системах типа «быстрая сборка тепловая сборка», методы решения обратных задач идентификации интегральных и временных харакісрисіик реакторных установок связанною типа, а также алгоритмы численного решения обратных задач нейтронной кинетики в целях восстановления реактивности систем связанных реакторов нмпульсної о действия;
-
предсказано, а на основе экспериментальных данных обосновано необычное для ядерных реакторов явление - расходящаяся «волна» делений, распространяющаяся по объему под-крнтической сборки, функционирующей совместно с импульсным реактором;
-
впервые получены основные зависимости кинетических характеристик связанной реакторной установки от условий работы системы в импульсно-периодическом режиме;
-
впервые разработан эффективный численный алгоритм для получения решения внутри рассматриваемого периода уравнении динамики подкритнческих реакторных установок связанного типа с внешним псі очником нейтронов для точно повторяющихся импульсов (выполняется условие периодичности).
Практическая значимость. Основные практические результаты диссертации следующие:
разработан комплекс программ для численного анализа нестационарных процессов кинетики нейтронов и тепловой динамики элементов конструкции реакторных установок связанного типа (программы POKER, STIK, GRIP, APPROX и модифицированная версия программного комплекса MCNP);
разработан компьютерный имиїаіор динамики реакторно-лазерной установки стенда «Б», позволяющий проводить моделирование штатных и аварийных режимов работы реакторной системы различной конфигурации;
проведено расчетное обоснование нейтронно-физнческих и пространственно-временных характеристик реакторно-лазерной установки стенда «Б» и се ядерной безопасности;
предложены и обоснованы расчетным путем варианты оптимизации конструкции реакторной системы стенда «Б», которые были реализованы на практике и улучшили более чем в два раза мощностные характеристики импульса накачки лазерно-активных сред;
получены расчетные данные, необходимые для проектирования и создания мощных лазерных драйверов с накачкой от нмпульсно-периодического реактора, которые могут обеспечить потенциальную возможность получения сверхвысоких уровней энергии и большой частоты повторения импульсов лазерного излучения.
Основные результаты работы внедрены в ГНЦ РФ - ФЭИ, прежде всего, при решении задачи разработки, сооружения, обоснования ядерной безопасности и оптимизации конструкции реакторно-лазерной установки стенда «Б». Кроме того, данный программно-
методический аппарат можно эффективно нспользоваїь при проектировании и создании мощных лазерных систем с ядерной накачкой, многозонных ускорительно-управляемых систем и импульсных реакторов нового поколения, в том числе и в других организациях: РФЯЦ - ВНИИТФ, РФЯЦ - ВНИЭФ и др.
Достоверность. Достоверность представленных результатов и положений диссертационной работы определяется:
а) корректностью учета различных особенностей нестационарного переноса нейтронов в
многозонных мультиплицирующих системах и использованием адекватных математиче
ских моделей для описания динамики реакторных установок связанного типа;
б) результатами отработки разработанных методов и программ на тестовых задачах;
в) результатами сравнения расчетных данных с данными экспериментов;
г) непротиворечивостью основных результатов и выводов и их согласованностью с совре
менными представлениями о физике связанных реакторных систем
На защиту выносятся следующие положения.
-
Результаты расчетно-теоретических исследований особенное і ей нестационарного переноса нейтронов в компонентах реакторных установок связанного типа и обоснования адекватных математических моделей динамики таких систем.
-
Комплекс программ для численного анализа нестационарных процессов переноса нейтронов и тепловой динамики элемешов конструкции реакторных установок связанною шна
-
Расчетно-аналитические методы исследования интегральных характеристик связанных реакторных систем.
-
Методы и алгоритмы решения обратных задач идешификацнн интегральных н временных характеристик реакторных установок связанного типа, алюри і мы численного решения обратных задач нейтронной кинетики в целях восстановления реактивности систем связанных реакторов импульсної о действия.
-
Результаты расчетных исследований динамических характеристик трехтонной реакторно-лазерной установки стенда «Б», резулыаты численною обоснования ее ядерной безопасности и оптимизации конструкции.
-
Результаты расчетною анализа зависимостей кинетических парамегров мноїозонных реакторных систем от условий работы в импульсном периодическом и апериодическом режимах.
Апробация работы. В диссертации представлены мшериалы исследований, проводимых автором с 1988 года. Основное содержание работы итложено в 25 статьях, в том числе в 19
статьях в реферируемых журналах, в 11 препринтах ПІЦ РФ - ФЭП и 56 докладах, опубликованных в трудах международных, всесоюзных и всероссийских конференций, а также в монографии «Связанные реакторные системы нмпульсною действия» (Москва, Энергоатом-нздат, 2003). Результаты исследований представлялись и докладывались автором на
международных конференциях «Ядерная энергетика в космосе» (Обнинск, 1990), «Физика ядерно-возбуждаемой плазмы и проблемы лазеров с ядерной накачкой» (Обнинск, 1992; Саров, 1994), LIRPP'95 (Япония, Осака, 1995), SOFE'95 (США, Урбана, 1995), ICENES'96 (Обнинск, 1996), «Ядерная энергетика в 3-м тысячелетии» (Обнинск, 1996), «Молодежь -ядерной энергетике» (Украина, Одесса, 1996), LIRPP'97 (США, Монтерей, 1997), ARS'97 (США, Орландо, 1997), Finnish-Russian Seminar on Nuclear Energy (Финляндия, Лапенран-та, 1997), 1CENES*98 (Израиль, Тель-Авив, 1998), High-Power Laser Ablation (США; Сайта Фе, 1998, 2000; Taos, 2002), M&C99 (Испания, Мадрид, 1999), GLODAL'99 (США, Джексон, 1999), ADTTA'99 (Чехия, Прага, 1999), PHYSOR7000 (США, Питсбург, 2000), Int. Youth Nuclear Congress (Словакия, Братислава, 2000), Fall Meeting of the Atomic Energy Society of Japan (Япония, Иваки, 2002), «Проблемы лазеров с ядерной накачкой и импульсные реакторы» (Снежинск, 2002);
всесоюзных и всероссийских конференциях и семинарах по динамике реакторов (Минск, 1992; Дмитровоград, 1996; Гатчина, 1997); по физике реакторов (СОЛ «Волга» МИФИ, 1989, 1991, 1993; «Нейтроннка», Обнинск, 1999; «Перспективы использования ядерных реакторов в XXI веке» Саров, 2000); по лазерной проблематике (Радужным, 1996, 2001, 2004; «VI Харитоновские чтения», Саров, 2004);
отраслевых конференциях по физике импульсных реакторов (Снежинск, 1991) и по физике ЛЯН (Саров, 1991,1993); отраслевом совещании по использованию и эксплуатации исследовательских реакторов (Димитровград, 2004); на научных семинарах ГИЦ РФ-ФЭИ.
Личный вклад автора. Автору диссертационной работы принадлежит ведущая роль в формулировке и реализации идей комплексного анализа проблем динамики реакторных систем связанного типа. Им лично разработан комплекс программ для численного анализа нестационарных процессов в многозонных мультиплицирующих системах; методы оценки критичности в связанных системах типа «быстрая сборка - тепловая сборка»; методы решения обратных задач идентификации интегральных и пространственно-временных характеристик реакторных установок связанного типа, а также алгоритмы численного решения обратных задач нейтронной кинетики в целях восстановления реактивности системы связанных импульсных реакторов. В целом представленные в диссертации результаты расчетных исследований получены лично автором.
