Расчет гибридных ADS систем (ускоритель - мишень - бланкет) с различным описанием источника первичных нейтронов

Расчетная модель ядерной установки со свинцово-висмутовой мишенью и бланкетом со свинцово-висмутовым теплоносителем. Сравнение результатов расчета нейтронно-физических характеристик гибридной ядерной системы по разным схемам задания внешнего источника.

Рубрика Физика и энергетика
Вид контрольная работа
Язык русский
Дата добавления 28.10.2018
Размер файла 134,3 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ МАТЕМАТИКИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

им. М.В. Келдыша

Расчет гибридных ADS систем (ускоритель + мишень + бланкет) с различным описанием источника первичных нейтронов

A.B. Воронков

Е.В. Ефремов

Москва - 2003

Оглавление

Введение

1. Расчетная модель ядерной установки со свинцово-висмутовой мишенью и бланкетом со свинцово-висмутовым теплоносителем

2. Спектры и выходы нейтронов в реакциях взаимодействия протонов с материалами установки

3. Сравнительный анализ результатов расчета нейтронно-физических характеристик гибридной ядерной системы по различным схемам задания внешнего источника

4. Сравнение энерговыделения в различных схемах расчета

Заключение

Литература

Аннотация

Введение

В настоящее время активно разрабатывается концепция так называемых гибридных ядерных систем (ускоритель - мишень - подкритический бланкет), обладающих внутренне присущей ядерной безопасностью. Эти системы рассматриваются как установки для производства энергии, так и трансмутации долгоживущих радиоактивных отходов ядерной энергетики. Ведется интенсивная работа по изучению и оптимизации характеристик таких систем. Определяющую роль в этой работе имеет численное моделирование процессов взаимодействия пучка высокоэнергетических протонов с веществом мишени и процессов размножения нейтронов в активной зоне - бланкете установки.

Для расчета физических характеристик таких установок приходится привлекать программы двух классов: для расчета взаимодействия пучка заряженных частиц с веществом мишени - программы расчета нуклон-ядерного каскада (LAHET [1], FLUKA [2], PARSE-2 [3], SHIELD [4] и др.), для нейтронно-физического расчета в области энергий до 20 Мэв, включающего в себя расчет кампании бланкета, перегрузок, трансмутации актинидов и долгоживущих осколков деления (реакторные программные комплексы РЕАКТОР-S [5, 6], MCNP [7] и др.).

При организации расчетов часто пользуются поэтапной схемой: на первом этапе решается задача расчета выходов и спектров нейтронов и фотонов из мишени, облучаемой пучком протонов из ускорителя (реакции скалывания или “spallation”), на втором производится расчет подкритической системы мишень-бланкет с заданным внешним источником нейтронов, распределенным в объеме мишени.

Такая декомпозиция общей задачи на два последовательных этапа вносит определенные погрешности в расчет нейтронно-физических характеристик бланкета и всей установки в целом. Одной из причин возникновения погрешностей является неизбежное огрубление спектров нейтронов “spallation”, так как реакторные программы имеют константные библиотеки, охватывающие энергетический диапазон от тепловой области до 10,5 Мэв [8] или до 20 Мэв [9, 10], и, следовательно, часть нейтронов высоких энергий приходится приписывать самой верхней реакторной энергетической группе. Другая причина заключается в том, что источник внешних нейтронов в реакторных программах трудно задать объемным, так как, как правило, программы, используемые на различных этапах расчета, не имеют общего интерфейса. В данной работе проведен сравнительный анализ двух схем расчета системы “бланкет+мишень” по программе MCNP с заданием источника нейтронов “spallation” в энергетическом диапазоне до 10.5 Мэв и 20 Мэв. Расчеты выполнены для ранее разработанной в ИПМ им. М.В. Келдыша модели подкритической реакторной системы со свинцово-висмутовым теплоносителем и диоксидом урана в качестве топлива [11]. В качестве тестовых, полных расчетов для сравнения выполнены комплексные протон-нейтронные расчеты по LAHET'у и комплексу программ PARSE-2.

1. Расчетная модель ядерной установки со свинцово-висмутовой мишенью и бланкетом со свинцово-висмутовым теплоносителем

Рассматриваемая ядерная установка состоит из бланкета, набранного из 144 ТВС. В центре располагается канал мишени, вытесняющий 7 ТВС. Активная зона окружена боковым отражателем из 2 рядов шестигранных стальных пакетов, имеющих такой же размер “под ключ”, как и ТВС активной зоны. Бланкет вместе с отражателем погружен в большой объем сплава свинец-висмут. В качестве топливной композиции используется диоксид урана UO2. Для выравнивания распределения мощности по радиусу бланкета применяется трехзонное профилирование обогащением топлива по Урану-235. Расчетная (R-Z) установка приведена на Рис. 1. Ячейки 8 и 15 моделируют протоновод, они заполнены вакуумом.

Рис. 1. Геометрия расчетной модели (стрелками показан ввод пучка протонов).

В рассматриваемой модели бланкета принято, что каждая ТВС отрабатывает 4 микрокампании длительностью 1 год с частичными перегрузками. Ядерно-физический состав на начало микрокампании в установившемся режиме перегрузок для топливных зон приведен в Таблице 1, для неразмножающих зон - в Таблице 2.

Таблица 1. Ядерные концентрации нуклидов в активной зоне бланкета в начале микрокампании (в ед. 1024 яд/см3).

Нуклид

Номер физической зоны бланкета на расчетной (R-Z)-модели (Рис.1)

3

4

5

10 и 24

11 и 25

12 и 26

U-234

0.9076E-10

0.4939E-10

0.8585E-10

0.4296E-10

0.7698E-10

0.4181E-10

U-235

0.7232E-03

0.7593E-03

0.1232E-02

0.1293E-02

0.1926E-02

0.1998E-02

U-236

0.3708E-04

0.3029E-04

0.5262E-04

0.4171E-04

0.6472E-04

0.5224E-04

U-238

0.7443E-02

0.7493E-02

0.6878E-02

0.6925E-02

0.6178E-02

0.6209E-02

Pu-238

0.3159E-07

0.1710E-07

0.2992E-07

0.1486E-07

0.2688E-07

0.1449E-07

Pu-239

0.1769E-03

0.1411E-03

0.1416E-03

0.1103E-03

0.1002E-03

0.7953E-04

Pu-240

0.4070E-05

0.2688E-05

0.2509E-05

0.1577E-05

0.1514E-05

0.9995E-06

Pu-241

0.6400E-07

0.4319E-07

0.3189E-07

0.2138E-07

0.3251E-07

0.2198E-07

Pu-242

0.7017E-09

0.4241E-09

0.3432E-09

0.2263E-09

0.3020E-09

0.2087E-09

Np-237

0.7142E-06

0.4761E-06

0.8349E-06

0.5241E-06

0.9017E-06

0.5963E-06

Am-241

0.1221E-08

0.8577E-09

0.6552E-09

0.4729E-09

0.6699E-09

0.4857E-09

Oскол. U

0.1593E-03

0.1234E-03

0.2397E-03

0.1805E-03

0.2806E-03

0.2149E-03

Oскол.Pu

0.1491E-04

0.8990E-05

0.1156E-04

0.6563E-05

0.6622E-05

0.3909E-05

O

0.1712E-01

Fe

0.1348E-01

Cr

0.1844E-02

Ni

0.9654E-04

Mo

0.6815E-04

Pb

0.5438E-02

Bi

0.6674E-02

Расчеты выполнены для двух энергий: 800 и 1500 Мэв. Пучок вводится перпендикулярно плоскости Z=115 (ячейка 8). В расчете при энергии протона 800 Мэв пучок распределен по двумерной функции Гаусса с =1.5см, при энергии протона 1500 Мэв - равномерно в круге с радиусом r=9.75см.

Таблица 2. Ядерные концентрации нуклидов в не размножающих областях (в ед. 1024 яд/см3).

Нуклид

Физическая зона на расчетной (R-Z)-модели (Рис.1)

9,16,22,23,29,30

6,13,27

17-21, 31-35,14,7,28

FE

0.6119E-02

0.5959E-01

-

CR

0.1373E-02

0.1337E-01

-

NI

0.7297E-03

0.7107E-02

-

PB

0.1188E-01

0.3445E-03

0.1320E-01

BI

0.1458E-01

0.4228E-03

0.1620E-01

2. Спектры и выходы нейтронов в реакциях взаимодействия протонов с материалами установки

Несмотря на “узость” входного пучка протонов, производство первичных нейтронов за счет реакций внутриядерного каскада, предравновесного состояния и стадии испарения ядра происходит в области, значительно более обширной, чем мишень. Выходы первичных нейтронов по ячейкам расчетной модели для двух энергий протонов представлены в Таблице 3, расчет произведен по программному комплексу LAHET.

Таблица 3. Выходы нейтронов “spallation” по ячейкам расчетной модели.

Номер ячейки

Выход нейтронов на протон с энергией 800 Мэв

Выход нейтронов на протон с энергией 1500 Мэв

1

1.710E+01

2.889E+01

2

2.472E+00

7.675E+00

3

1.902E+00

4.285E+00

4

1.501E-01

3.469E-01

5

2.628E-02

6.965E-02

6

1.122E-02

2.747E-02

7

4.450E-03

1.148E-02

8

0.000E+00

0.000E+00

9

2.559E-02

2.899E-02

10

4.379E-02

9.148E-02

11

8.329E-03

1.912E-02

12

1.410E-03

5.040E-03

13

1.020E-03

2.650E-03

14

4.200E-04

1.080E-03

15

0.000E+00

0.000E+00

16

1.827E-02

1.132E-02

17

2.508E-02

4.323E-02

18

7.570E-03

1.419E-02

19

2.250E-03

5.530E-03

20

1.880E-03

5.210E-03

21

6.600E-04

1.580E-03

22

4.958E-01

2.559E+00

23

4.858E-01

1.884E+00

24

6.028E-01

1.466E+00

25

6.116E-02

1.453E-01

26

1.040E-02

2.986E-02

27

4.950E-03

1.111E-02

28

1.840E-03

4.410E-03

29

1.389E-01

1.581E+00

30

3.200E-01

1.811E+00

31

7.393E-01

2.300E+00

32

1.331E-01

3.469E-01

33

3.275E-02

8.105E-02

34

2.327E-02

6.165E-02

35

6.660E-03

1.889E-02

сумма

2.486E+01

5.380E+01

В зоне мишени (ячейки 1, 2, 22, 23, 29, 30) рождается около 82% и 85% нейтронов при энергии протона 800 Мэв и 1500 Мэв соответственно. Около 12% и 11% нейтронов образуются в активной зоне (ячейки 3, 4, 5, 10, 11, 12, 24, 25, 26), остальные 4% и 6% в зонах отражателя. Таким образом, видно, что источник нейтронов “spallation” сосредоточен не только в области мишени. Значительная его часть приходится на бланкет и отражатель. Эти составляющие источника нейтронов имеют и различные энергетические распределения. На Рис. 2 и 3 приведены графики спектров нейтронов “spallation” для трех характерных ячеек при энергии протона 800 и 1500 Мэв.

Рис. 2. Энергетический спектр нейтронов “spallation” в ячейках 1,3,5 (энергия протона 800 Мэв).

Рис. 3. Энергетический спектр нейтронов “spallation” в ячейках 1,3,5 (энергия протона 1500 Мэв).

Спектр нейтронов в области мишени смещен по сравнению с бланкетом в быструю область. Об этом можно судить по данным Таблицы 4, в которой приведены доли “быстрых” (нереакторных) нейтронов.

Таблица 4. Доля нейтронов “spallation” с энергией, большей 10.5 Мэв и 20 Мэв.

Номер ячейки

Энергия протонов 800 Мэв

Энергия протонов 1500 Мэв

Доля нейтронов с энергией

>10.5 Мэв, %

Доля нейтронов с энергией

>20 Мэв, %

Доля нейтронов с энергией

>10.5 Мэв, %

Доля нейтронов с энергией

>20 Мэв, %

LAHET

PARSE

LAHET

PARSE

LAHET

PARSE

LAHET

PARSE

1

17.2

18.3

11.2

13.5

21.5

21.3

12.9

14.0

3

14.1

14.9

9.7

10.83

13.9

14.6

9.5

9.8

5

14.0

13.0

9.7

10.2

13.8

14.2

9.5

9.6

В целом по установке

16.33

16.20

10.81

11.05

19.03

19.45

11.6

12.1

При расчетах установки мишень+бланкет по реакторным программам в качестве внешнего источника нейтронов берутся нейтроны “spallation”. При этом, как правило, приходится огрублять этот источник: а) задавать источник только в области мишени, б) долю нейтронов с “нереакторными” энергиями приписывать верхней энергетической группе. Оба эти шага вносят в нейтронно-физический расчет всей установки в целом определенные погрешности.

3. Сравнительный анализ результатов расчета нейтронно-физических характеристик гибридной ядерной системы по различным схемам задания внешнего источника

Для определения погрешностей, вносимых в расчет нейтронно-физических характеристик бланкета по реакторным программам с заданием внешнего источника, проведен сравнительный анализ трех расчетов для двух энергий протона 800Мэв и 1500Мэв:

Полный расчет всей установки по программному комплексу метода Монте-Карло LAHET. Для расчета переноса нейтронов в области энергий >20 Мэв в этом случае выбрана хорошо зарекомендовавшая себя модель Бертини [12], ниже 20 Мэв выполняется детальный расчет по сечениям с непрерывной зависимостью от энергии по программе HMCNP, являющейся составной частью комплекса LAHET.

Расчет по программе MCNP с заданием внешнего источника нейтронов, полученного из источника нейтронов “spallation” с преобразованием спектра в 34-групповой вид с диапазоном энергий 020 Мэв (расширенный диапазон реакторных программ). Источник распределен равномерно в области мишени (ячейка 1).

Расчет по программе MCNP с заданием внешнего источника нейтронов, спектр которых преобразован в 27-групповой вид с диапазоном энергий 010.5 Мэв (обычный диапазон реакторных программ). Источник распределен равномерно в области мишени (ячейка 1).

Численные значения спектров внешнего источника, нормированных на единицу, приведены в Таблице 5.

Таблица 5. Нормированные спектры нейтронов внешнего источника.

Номер группы

Энергия верхней границы группы

Спектр нейтронов с энергией до 20 Мэв, N(j)/Ntot

Спектр нейтронов с энергией до 10.5 Мэв, N(j)/Ntot

1

2.53000E-08

0.000000E+00

0.000000E+00

2

2.15400E-07

0.000000E+00

0.000000E+00

3

4.64200E-07

0.000000E+00

0.000000E+00

4

1.00000E-06

0.000000E+00

0.000000E+00

5

2.15400E-06

0.000000E+00

0.000000E+00

6

4.64200E-06

0.000000E+00

0.000000E+00

7

1.00000E-05

0.000000E+00

0.000000E+00

8

2.15400E-05

0.000000E+00

0.000000E+00

9

4.64200E-05

0.000000E+00

0.000000E+00

10

1.00000E-04

8.044347E-07

8.044363E-07

11

2.15400E-04

1.206652E-06

1.206655E-06

12

4.64200E-04

4.022174E-06

4.022182E-06

13

1.00000E-03

1.769756E-05

1.769760E-05

14

2.15400E-03

5.993039E-05

5.993051E-05

15

4.64200E-03

1.906108E-04

1.906112E-04

16

1.00000E-02

5.192626E-04

5.192637E-04

17

2.15400E-02

1.326915E-03

1.326918E-03

18

4.64200E-02

3.274452E-03

3.274458E-03

19

1.00000E-01

8.362099E-03

8.362116E-03

20

2.00000E-01

1.838536E-02

1.838539E-02

21

4.00000E-01

4.235349E-02

4.235357E-02

22

8.00000E-01

9.178600E-02

9.178619E-02

23

1.40000E+00

1.299564E-01

1.299567E-01

24

2.50000E+00

1.840949E-01

1.840953E-01

25

4.00000E+00

1.546526E-01

1.546529E-01

26

6.50000E+00

1.258136E-01

1.258138E-01

27

1.05000E+01

7.585819E-02

2.391991E-01

28

1.39800E+01

2.877463E-02

29

1.50200E+01

6.029238E-03

30

1.60000E+01

4.870852E-03

31

1.70000E+01

4.456568E-03

32

1.80000E+01

4.000052E-03

33

1.90000E+01

3.628001E-03

34

2.00000E+01

1.115831E-01

Расчеты по программному комплексу LAHET позволяют иметь детальную численную картину по физическим процессам, связанным с переносом нейтронов в расчетной модели ядерной установки. При этом нейтронные физические процессы для энергий >20 Мэв моделируются методами нуклон-ядерного каскада (нуклон-нуклонные взаимодействия, внутриядерный каскад, предравновесное состояние, фаза испарения ядра), для энергий < 20 Мэв осуществляется расчет уравнения переноса методом Монте-Карло с использованием детальных библиотек сечений.

Эти полные расчеты позволяют получить полезные для дальнейшего анализа интегральные величины по объему установки в расчете на один протон источника протонов. Процессы рождения нейтронов во всем диапазоне энергий описываются числом нейтронов деления, числом нейтронов за счет реакций (n,xn), числом вторичных нейтронов за счет внутриядерного каскада; процессы гибели нейтронов - потерями в реакциях деления, (n,xn), поглощения и утечки, потерями в процессах множественного рождения нейтронов при энергиях >20 Мэв.

На основе этих данных можно рассчитать необходимые для сравнения величины:

коэффициент мультипликации подкритического бланкета Кs, равный отношению числа рождающихся нейтронов к общим потерям нейтронов в расчете на один протон,

коэффициент умножения нейтронов в бланкете М, определяемый выражением:

,

относительную ценность нейтронов источника “spallation” *, определяемую выражением:

,

где - обычный коэффициент размножения, определяемый в квазикритическом расчете подкритической системы. В нашем случае =0.97162.

эффективное число нейтронов на один протон можно получить, рассчитав общее число нейтронов “spallation” Nsp и используя их ценность:

Neff= Nsp*,

что позволит иметь для сравнения величины, нормированные на один нейтрон.

Расчеты по реакторным программам с диапазонами энергий до 10.5 Мэв и до 20 Мэв также позволяют получить составляющие нейтронного баланса в расчете на один нейтрон источника. Сравнение этих величин позволяет оценить погрешности реакторного расчета, использующего задание внешнего источника нейтронов, моделирующего источник нейтронов “spallation”.

Необходимые величины для сравнительного анализа из полных расчетов по комплексу LAHET для двух энергий протона приведены в Таблице 6. ядерный теплоноситель нейтронный физический

Таблица 6. Составляющие баланса нейтронов в полных расчетах по LAHET.

Процесс

Епрот=800 Мэв

Епрот=1500 Мэв

Нормировка на 1 протон

Нормировка на 1 эффект. нейтрон

Нормировка на 1 протон

Нормировка на 1 эффект. нейтрон

Рождение <f>

513.66

26.674

1069.800

26.131

Рождение <(n,xn)> для энергий Енейт<20Мэв

4.705

0.214

11.339

0.277

Рождение <(n,xn)> для энергий Енейт >20Мэв

3.283

0.170

7.585

0.185

Рождение, внутриядерный каскад

1.907

0.099

4.355

0.107

Потери <f> для Енейт<20Мэв

203.77

10.582

424.400

10.366

Потери <(n,xn)> для Енейт<20Мэв

2.313

0.120

5.564

0.136

Потери <cap> для Енейт<20Мэв

270.230

14.033

563.020

13.752

Потери на утечку, Енейт<20Мэв

64.295

3.339

135.830

3.318

Общие потери в реакциях с Енейт>20Мэв

2.688

0.140

6.221

0.152

Кs

0.96366

0.96303

Keff

0.97162

Nsp

24.860

53.800

*

0.77462

0.76097

Neff

19.257

40.940

M

26.5199

26.0525

Аналогичные величины для расчетов с заданным источником нейтронов с верхней границей по энергии 10.5Мэв и 20 Мэв представлены в Таблице 7. Все величины в этой таблице нормированы на 1 нейтрон источника.

Таблица 7. Составляющие баланса нейтронов в реакторных расчетах.

Процесс

Епрот=800 Мэв

Епрот=1500 Мэв

Источник с энергией <10.5 Мэв

Источник с энергией <20 Мэв

Источник с энергией <10.5 Мэв

Источник с энергией <20 Мэв

Рождение <f>

23.260

26.191

22.377

26.390

Рождение <(n,xn)>

0.188

0.443

0.201

0.498

Потери <f>

9.225

10.388

8.880

10.467

Потери <(n,xn)>

0.094

0.204

0.100

0.229

Потери <cap>

12.256

13.797

11.817

13.920

Потери на утечку

2.877

3.244

2.775

3.266

Кs

0.95895

0.96384

0.95786

0.96434

M

23.605

26.685

22.967

27.042

Из данных Таблиц 6 и 7 видно, что реакторные расчеты, выполненные со сдвигом спектра нейтронов источника “spallation” за границу энергий 20 Мэв, довольно хорошо совпадают по интегральным величинам с полными базовыми расчетами от “протона”. Так расхождение в Кs составляет 0.02% для энергии протона 800 Мэв и 0.14% для 1500 Мэв. Баланс нейтронов довольно близок к базовому расчету: реакции деления, захвата, утечка нейтронов совпадают с точностью 1.5%, реакции (n,xn) завышаются на 7%, но зато отсутствует реакция рождения нейтронов во внутриядерном каскаде. В итоге коэффициенты умножения нейтронов в бланкете М, напрямую связанные с энергетическим выигрышем, отличаются от базовых на 0.62% и 3.80%.

Результаты расчета со сдвигом спектра нейтронов источника за энергетическую границу 10.5 Мэв существенно отличается от результатов базовых расчетов. Так, недооценка Кs составляет 0.49% для энергии протона 800 Мэв и 0.53% - для 1500 Мэв. Коэффициент умножения М недооценивается на 12.35% и 13.43% соответственно.

Основная причина - недооценка реакций (n,xn), которые имеют максимальные сечения именно в диапазоне энергий от 10 и более Мэв. Это наглядно видно в Таблице 8, в которой значения Кs, полученные для различных схем расчета, разделены на составляющие по делению и реакциям (n,xn), равные отношениям рожденных нейтронов в реакциях деления и (n,xn) к общим потерям нейтронов. Отличия в доли (n,xn) реакций достигают 2.4 раза.

Таблица 8. Составляющие Кs

Епрот=800 Мэв

Кs(деление)

Кs(n,xn)

1. Енейт<10.5 Мэв

0.95125

0.00770

2. Енейт<20 Мэв

0.94782

0.01602

3. Базовый расчет

0.94545

0.01821

Епрот=1500 Мэв

1. Енейт<10.5 Мэв

0.94934

0.00852

2. Енейт<20 Мэв

0.94649

0.01784

3. Базовый расчет

0.94253

0.02050

4. Сравнение энерговыделения в различных схемах расчета

Расчет энерговыделения в гибридных ядерных системах очень чувствителен к уровню подкритичности установки и связан с точностью определения коэффициента умножения бланкета М. Ниже проведен сравнительный анализ результатов расчета энерговыделения в базовых расчетах по программам LAHET и PARSE-2 и в реакторных расчетах по программе MCNP с различными схемами задания внешнего источника нейтронов “spallation”. Во всех расчетах для сравнения бралось энерговыделение только от нейтронных реакций.

В расчетах по комплексу LAHET и PARSE-2 значение энерговыделения нормировано на 1 протон. Для сравнения с реакторными расчетами, в которых источник внешних нейтронов задается равномерным в зоне мишени, эту величину необходимо отнормировать на 1 эффективный нейтрон, воспользовавшись определением ценности нейтронов источника “spallation”.

В Таблице 9 приведены расчетные интегральные по объему бланкета данные на 1 протон, там же приведен коэффициент выигрыша по энергии G, равный отношению мощности бланкета к мощности пучка протонов.

Таблица 9. Интегральные по объему значения энерговыделения в базовых расчетах, нормировка на один протон.

Энергия протона, Мэв

LAHET

PARSE-2

Энерговыделение, Мэв/протон

G

Энерговыделение, Мэв/протон

G

800

35146.10

43.93

37640.00

47.05

1500

73216.87

48.81

69700.00

46.46

В Таблице 10 приведены для базовых и реакторных расчетов значения энерговыделения Q, нормированные на один нейтрон, отклонения реакторных величин от базовых. Там же для сравнения приведены соответствующие значения коэффициента умножения нейтронов бланкетом.

Таблица 10. Значения энерговыделения, нормированные на один нейтрон.

Q, Мэв/нейтрон

,

%

М

,

%

Энергия протона 800 Мэв

Базовый расчет, LAHET

1825.10

-

26.520

-

Реакторный расчет, E<10.5 Мэв

1588.13

14.92

23.605

12.35

Реакторный расчет, E<20 Мэв

1789.52

1.99

26.655

-0.500

Энергия протона 1500 Мэв

Базовый расчет, LAHET

1788.39

-

26.0-53

Реакторный расчет, E<10.5 Мэв

1531.0

16.81

22.967

13.43

Реакторный расчет, E<20 Мэв

1804.71

-0.010

27.042

-3.66

Из данных Таблицы 10 видно, что точность схемы реакторного расчета со сдвигом спектра источника нейтронов за границу 10.5 Мэв при определении энерговыделения существенно меньше, чем схемы со сдвигом спектра за 20 Мэв. Последняя схема имеет вполне допустимые расхождения с полными базовыми расчетами.

В Таблице 11 приведены значения энерговыделения по расчетным областям активной зоны - бланкета. Локальные расхождения реакторных расчетов со сдвигом верхней границы спектра источника нейтронов до 10.5 Мэв составляют 13-19%, расхождения в схеме расчета со спектром до 20 Мэв не превышают 1-3%.

Таблица 11. Значения энерговыделения по ячейкам бланкета.

Номер ячейки

Реакторный расчет, Еs<10.5Мэв,

Мэв/(см3нейтрон)

Реакторный расчет, Еs<20Мэв, Мэв/(см3нейтрон)

Базовый расчет, LAHET, Мэв/(см3нейтрон)

Энергия протона 800 Мэв

3

5.9438-04

6.6783-04

6.7452-04

4

6.7544-04

7.6257-04

7.7816-04

5

7.2657-04

8.2003-04

8.4023-04

10

4.0583-04

4.5467-04

4.6939-04

11

5.0140-04

5.6402-04

5.7714-04

12

5.6204-04

6.3113-04

6.4673-04

24

4.7857-04

5.3761-04

5.3594-04

25

5.3229-04

5.9955-04

6.1294-04

26

5.8013-04

6.5733-04

6.7352-04

Энергия протона 1500 Мэв

3

5.7493-04

6.7649-04

6.5684-04

4

6.5089-04

7.6737-04

7.6312-04

5

6.9971-04

8.2611-04

8.2174-04

10

3.9052-04

4.5713-04

4.4786-04

11

4.8085-04

5.6564-04

5.5950-04

12

5.3911-04

6.3595-04

6.2755-04

24

4.6196-04

5.4579-04

5.4759-04

25

5.1317-04

6.0566-04

6.1077-04

26

5.6092-04

6.6232-04

6.6639-04

В Таблице 12 приведены для сравнения результаты расчета энерговыделения по расчетным областям бланкета по программам полного моделирования процессов переноса заряженных и нейтральных частиц LAHET и PARSE-2. В расчете по программе LAHET для энергии протона 800 Мэв использовалось распределение пучка протонов по Гауссу с =1.5 см., для энергии протона 1500 Мэв равномерное распределение пучка в круге радиусом 9.75 см. В расчете по программе PARSE-2 оба расчета выполнены с равномерным распределением пучка протонов в круге с радиусом 9.75 см. Основной источник расхождений в значении энерговыделения при 800 Мэв заключается в различном способе ввода пучка нейтронов. Расхождения в сопоставимых результатах при 1500 Мэв в среднем составляют ~10%, максимальные достигают 27%. Основная причина таких расхождений - использование различных библиотек нейтронных сечений.

Таблица 12. Энерговыделение, рассчитанное по программам LAHET и PARSE-2.

Номер

ячейки

Энегрия протона 800 Мэв

Энергия протона 1500 Мэв

Энерговыдел.,

Мэв/(см3прот.), LAHET

Энерговыдел.,

Мэв/(см3прот.), PARSE-2

Энерговыдел.,

Мэв/(см3прот.), LAHET

Энерговыдел.,

Мэв/(см3прот.), PARSE-2

3

1.2967-02

2.773-02

2.6891-02

2.541-02

4

1.4985-02

9.666-03

3.1242-02

2.734-02

5

1.6180-02

1.098-02

3.3642-02

3.046-02

10

9.0313-03

1.033-02

1.8335-02

1.691-02

11

1.1099-02

1.009-02

2.2906-02

1.800-02

12

1.2454-02

9.956-03

2.5692-02

2.530-02

24

1.0321-02

1.202-02

2.2419-02

2.657-02

25

1.1803-02

1.128-02

2.5005-02

2.287-02

26

1.2970-02

1.094-02

2.7282-02

3.281-02

Заключение

Из сравнительного анализа результатов расчета физических характеристик на примере гибридной ядерной системы с свинцово-висмутовым теплоносителем следует:

Для достижения приемлемой точности (2%-3%) в расчете такой важной характеристики, как распределение энерговыделения по объему бланкета, по реакторным программам источник внешних нейтронов, формируемый из источника первичных нейтронов “spallation” за счет внутриядерного каскада, должен задаваться по энергии до 20 Мэв. Использование реакторных расчетов с верхней границей по энергии 10.5 Мэв вносит существенные ошибки (14%-17%) в значение интегрального по объему энерговыделения.

Введение функции ценности нейтронов источника “spallation” и их эффективного числа позволяет в значительной степени устранить неточности в реакторном расчете, связанные с тем, что внешний источник нейтронов задается равномерно распределенным в зоне мишени.

Литература

R.E. Prael and H. Lichtenstein. “User Guide to LCS: The LAHET Code System”, LANL report LA-UR-89-3014 (September 1989).

Ranft J., Routii J.T. “Mote Carlo programs for calculating three-dimensional high energy (50 Mev - 500 Gev) hadron Cascades in Matter”, Comput. Phys. Commun., 1974, v. 7, p. 327.

Ефремов Е.В., Иванов Н.А., Москалев О.Б. “PARSE-2 комплекс программ для расчета методом Монте-Карло адронного каскада в трехмерной геометрии”, Тезисы докладов VI Всероссийской научной конференции по защите от ИИ ЯТУ, Обнинск, 1998.

A.V.Dementyev, N.M.Sobolevsky. “SHIELD - Universal Monte Carlo Hadron Transport Code: Scope and Applications. Radiation Measurements”, 30 (1999) 553.

А.V.Voronkov, V.I.Arzhanov. “REACTOR - program system for neutron-physical calculations”, Proc. International topical meeting, Advances in Mathematics, Computational and Reactor Physics, Pittsburg, USA, 1991.

Воронков А.В., Земсков Е.А., Новикова Н.Н., Сычугова Е.П. “Расчет по программному комплексу REACTOR-S теста для гибридных ядерных систем IAEA-ADS benchmark”, Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН №77, 2000.

Group-6, “MCNP-A General Monte Carlo Code for Neutron and Photon Transport”, LA-7396-m Revised, LANL (April 1981).

Абагян Л.П., Базазянц Н.О., Бондаренко И.И., Николаев М.Н. “Групповые константы для расчета ядерных реакторов”, М.: Атомиздат, 1964.

Мантуров Г.Н., Николаев М.Н., Цибуля А.М. “Система групповых констант БНАБ-93”, ВАНТ, серия “Ядерные константы”, вып. 1, 1996.

Воронков А.В., Синица В.В. “GNPDL-30/19: библиотека нейтронно-фотонных групповых констант для расчета подкритических систем с внешней подсветкой”, Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, № 25, 2001.

Воронков А.В., Земсков Е.А., Новикова Н.Н. “Расчетный анализ физических характеристик гибридных ядерных систем с различным типом бланкета”, Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, № 45, 2001.

H.W. Bertini. “Intranuclear-Cascade Calculation of the Secondary Nucleon Spectra from Nucleon-Nucleus Interactions in the Energy Range 340 to 2900 MeV and Comparisons with Experiment”, Phys. Rev., v. 188, No. 4, p. 1711- 1730.

Аннотация

В данной работе проведен сравнительный анализ некоторых схем физического расчета гибридных ядерных систем “ускоритель + бланкет + мишень” с использованием программ расчета нуклон-ядерного каскада и переноса нейтронов по программам LAHET (США), PARSE-2 (Россия) и реакторной программы MCNP (США). Полные протон-нейтронные расчеты сравниваются с нейтронными реакторными расчетами, в которых задан внешний источник нейтронов, сформированный на основе расчета первичных нейтронов внутри-ядерного каскада (нейтроны “spallation”). Расчеты выполнены для ранее разработанной в ИПМ им. М.В. Келдыша модели подкритической реакторной системы со свинцово-висмутовым теплоносителем и диоксидом урана в качестве топлива.

Показано, что для достижения приемлемой точности (2% - 3%) в расчете такой важной характеристики, как распределение энерговыделения по объему бланкета, источник внешних нейтронов в реакторных программах должен задаваться с верхней границей по энергии до 20 Мэв.

In this paper the comparative analysis of some schemes of physical calculation of hybrid nuclear systems «accelerator + blanket + target» with usage of the codes for the nucleon - nuclear cascade calculation and the neutron transport codes LAHET (USA), PARSE-2 (Russia) and the reactor code MCNP (USA) is given. The full protons - neutron calculations are compared to the neutron reactor calculations, in which the external neutron source is formed on the basis of calculation of primary neutrons of the intranuclear cascade (“spallation” neutrons). The calculations are fulfilled for the model of sub-critical reactor system with plumbum-bismuthic heat-transfer and with dioxide of uranium as fuel earlier developed in Keldysh Institute of Applied Mathematics.

It is shown that for achievement of acceptable accuracy (2% - 3%) in calculation of such important characteristic, as distribution of energy release over volume of blanket, the source of external neutrons in the reactor codes should be set with high bound on energy up to 20 Мэв.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.