Анализ точности моделирования параметров электроядерных установок Батяев, Вячеслав Феликсович

Введение к работе

Актуальность проблемы. В настоящее время одной из причин сдерживания раз-1ИТИЯ ядерной энергетики является проблема радиоактивных отходов. В последнее де-ятилетие во многих странах, включая РФ, начались активные поиски способов уменьяения радиотоксичпости отходов. В настоящее время пет общепризнанной концепции юшепия этой проблемы. Одним из париантов рещения проблемы обращения с радио-.ктивпыми отходами является создание т.н. электроядерных установок (ЭлЯУ), отливающихся от традиционных ядерных реакторов наличием мощного нейтронного источ-ика осуществляющего работу установок в подкритнческом режиме. Проектирование ейтронного источника работающего под действием высокоточного ускорителя прото-ов с энергией порядка-1 ГэВ требует привлечение программ активно использующихся (Ьизике ВЫСоких энергий но не использовавшихся ранее в прикладных реакторных асчетах. Так как в настоящее время отсутствует опыт их использования для проекти-

ПНЯ TTTf я

нейтронных источников ЭлЯУ требуемой мощности встает вопрос о верисЬи-

Целью диссертационной работы явились верификация программ, используемых ля расчета параметров мишенных устройств, на основе ядерных данных полученных в ТЭФ экспериментально на материалах, предполагаемых в качестве мишенных и кон-грукционпых материалов ЭлЯУ, а также оптимизационные расчеты основных ядерно-изических параметров мишенных устройств ЭлЯУ, проектируемых в ИТЭФ.

В рамках поставленной цели были решены следующие задачи:

1. прюведен анализ соответствия необходимой расчетной и имеющейся эксперимен-шьной точности основных параметров мишеней из тяжелых материалов при облуче-іи их протонами высоких энергий;

2. определен набор параметров, наиболее пригодных для верификации расчетных зограмм;

3. разработана методика сравнения экспериментальных результатов по выходу хер-продуктов с результатами, полученными с помощью различных используемых в ьстоящее время программ;

4. выполнена верификация этих программ путем сравнения расчетных и экспери-'нтальных значений выходов ядер-продуктов из топких и толстых мишеней;

5. создан взаимосвязанный самосогласованный комплекс программ для расчета іернофизпческих параметров толстых мишеней;

6) выполнены расчеты параметров мишенных устройств ЭлЯУ, проектируемых ИТЭФ с целью их оптимизации.

Научная новизна

1. Впервые изучена точность используемых программ для моделирования пара\ тров мишенных устройств из тяжелых материалов.

2. Разработана методика сравнения экспериментальных и расчетных результатов независимым и кумулятивным выходам ядер-продуктов в тонких мишенях.

3. Проведена верпфцкация основных используемых в насточщсе время програл путем сравнения расчетных результатов с экспериментальными по выходам яде продуктов из материалов, предполагаемых для использования в качестве мишенш и конструкционных материалов ЭлЯУ.

4. Рассчитаны основные ядерно-физические параметры проектируемых в ИТс мишенных устройств ЭлЯУ.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы состоит в исследованной точности расчетов оспе пых ядерно-физических параметров мишенных устройств ЭлЯУ. Особенность дан» работы, отличающей ее от других подобных работ (напр. '), состоит как в исНользое Нии широкого набора программ, применяемых для расчета ЭлЯУ, так и в использован) набора экспериментальных данных, требуемых сугубо для проектирования ЭлЯУ.

Выявленная точность программ наглядно демонстрирует потенциальные величні ошибок, которые могут иметь место при использовании расчетных программ без эк периментальной поддержки.

Точность продемонстрирована на примере широкого пакета программ, включающ) широкий спектр моделей внутриядерного взаимодействия и активно использующих-для расчетов параметров ЭлЯУ, как в РФ, так и зарубежом.

Точнось программ продемонстрирована по: (1) независимым и кумулятивным в; ходам ядер-продуктов в топких мишенях из мишенных и конструкционных материал! ЭлЯУ; и (2) скоростям реакций на поверхности толстой W-мишени, облученной прот нами с энергией 1 ГэВ.

^R. Michel, P. Nagel, bitereuational Codes and Model eltercomparison for Intermediate Energy Activati Yields, NSC/DOC(97)-l, NEA/P&T No 14.

1. Тонкие мишени. Для корректного сравнения расчетных результатов с экспе-
яшентальными создана методика сличения экспериментальных и расчетных резуль-
атов по выходам независимых и кумулятивных ядер-продуктов в тонких мишенях,
1азирующаяся на методике экспериментального получения непосредственно в ИТЭФ
:умулятпвных и независимых выходов ядер продуктов.

Используя более 720 экспериментальных значений выходов ядер-продуктов на [драх-мишенях конструкциопных материалов ЭлЯУ, измеренных в ИТЭФ (облучались ^ЮВІ'РЬ, 208РЬ, ^21,7РЬ, ²⁰⁶Pb, ⁶³Cu, «5Си, и ⁵⁹Сo протонами низких (0.07 - 0.2 ГэВ) [ высоких (1.2 и 1.5ГэВ) энергиях); было выполнено сравнение с ними расчетных ре-ультатов, полученных по программам: СЕМ95, CASCADE, INUCL, НЕТС, LAHET, 5NASH, ALICE, QMD, NUCLEUS, YIELDX, и полуэмпирической формуле Foshina et .1.

После обобщения результатов сравнения сделан вывод о точности расчета программ ;ак недостаточной для непосредвспного использования в проектных расчетах.

Представлена рекомендация по использованию конкретных программ в зависимости .т сочетания мншень/продукт/энергия, что является базой для дальнейшего развития [рограмм. Выявлены программы, дающие наиболее точные значения выходов ядер-[родуктов.

2. Толстая W-мишень. Используя программы LAHET, СЕМ95, INUCL и
CASCADE для моделирования скоростей реакций на поверхности толстой W-мишеии
іьіло проведено сравнение расчетных значений скоростей пороговых реакций актива-
птонных детекторов (In, Au, А1) с экспериментальными значениями, полученными в
1ТЭФ.

Выявлено, что точность расчета скоростей реакций является сходной с точностью 1асчета выходов продуктов в тонких мишенях. Сделаны предварительные выводы о кладе различных составляющих расчета (спектры нейтронов, сечения) в ошибки ско-юстей реакций.

Кроме демонстрации точности программ, в работе представлены результаты расче-ов мишенных устройств, проектируемых в ИТЭФ в рамках международного проекта ;о изучению осуществимости трансмутации радиоактивных отходов ядерной энергети-:и. Выполнен подбор ряда геометрических параметров мишенных устройств для полу-гения оптимальных ядерпо-физических параметров.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались на: International Workshop on Nuclea Methods of Transmutation of Nuclear Wastes: Problems, Perspectives, Cooperativ Research, Dubna, Russia, May 29-31,1996; Second Intternational Conference on Acceleratoi Driven Transmutation Technologies and Applications, Kalmar, Sweden, June 3-7, 199G; У, Международном семинаре по точиым измсрепиям в ядерной спектрометрии, 2-6 сент* бря 1996, Саров; International Conference on Nuclear Data for Science and Technology, Ma 19-24, 1997, Trieste, Italy; 3rd Specialists' Meeting on High Energy Nuclear Data, Marc 30-31, 1998 at JAERI, Tokai, Ibaraki-kcn, Japan; Second International Topical Meetin on Nuclear Applications of Accelerator Technology (AccApp'98), Gatlinburg, TN, US/ September 20-23, 1998; 3rd International Conference on Accelerator-Driven Transmutatio Technologies and Applications, Praha, June 7-11,1999; Third International Topical Meetin on Nuclear Applications of Accelerator Technology (AccApp'99), Long Beach, CA, US/ November 14-18 1999.

Основные результаты работы опубликованы в сборниках указанных конференциі в виде препринтов ИТЭФ и LANL, а также в журналах ВАНТ Сер. "Физика Ядерны Реакторов" и "Nucl. Instr. andMeth.".

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Он изложена па 147 страницах, включая 43 рисунка, 44 таблицы и список литературы и 169 наименований.