Введение к работе
Актуальность работы
Долгоживущие актиниды и продукты деления в отработавшем ядерном топливе являются наиболее опасными радиоактивными отходами ядерной энергетики. Перспективным способом снижения их радиационной опасности является ядерная трансмутация, которая может быть осуществлена в реакторах различных типов, а также в подкритических электро-ядерных установках, обладающих повышенной по сравнению с обычными реакторами ядерной безопасностью.
Концептуальные исследования свидетельствуют о перспективности электро-ядерного способа производства нейтронов для трансмутации дол-гоживущих радиоактивных отходов (ДРАО). Этот способ заключается в использовании подкртического реактора (называемого бланкетом) с внешним источником нейтронов в виде нейтронопроизводящей мишени и ускорителя протонов. В российской технической литературе этот тип установок называют электро-ядерными установками (ЭЛЯУ), в зарубежной - Accelerator Driven System (ADS).
Для проектирования электро-ядерных установок и проведения расчетных исследований в области ядерной трансмутации требуется большое количество ядерных данных для широкого круга нуклидов и энергий, достигающих нескольких десятков гигаэлектронвольт. Несмотря на сделанные усилия и прогресс в области константного обеспечения расчетов в данной предметной области в последние десятилетия остается нерешенными ряд научно-технических задач по созданию нейтронопроизводящей мишени. В этой связи специалистами данной предметной области был сформулирован перечень следующих НИОКР:
Развитие методов расчета сечений реакций глубокого расщепления в области промежуточных энергий протонов 20-2000 МэВ;
Исследование механизмов ядерных реакций с эмиссией кластеров, отвечающих за газонакопление и радиационные повреждения в окне и мишени;
Развитие и создание компьютерных программ расчета полной и парциальной активноти, остаточного энерговыделения в материалах мишени;
Создание тестированных библиотек оценненых ядерных данных о взаимодействии протонов и нейтронов с энергиями до 3 ГэВ с материалами мишени, ускорителя и бланкета.
На данный момент нет единой теории внутриядерных взаимодействий, которая бы удовлетворительно объясняла весь спектр рассматриваемых ядерных реакций. Этим обстоятельством и продиктован существующий довольно широкий спектр программ, одни из которых лучше описывают взаимодействия в одних условиях, другие - в других.
Объектом исследования являются методы и программные комплексы формирования систем константного обеспечения расчетов активации материалов и выходов газообразных продуктов в электро-ядерных установках материалы в энергетическом диапазоне от 50 МэВ до 1 ГэВ.
Цель диссертации - разработка и совершенствование методов и программных комплексов формирования систем константного обеспечения расчетов активации материалов и образования легких газообразных продуктов в перспективных ЯЭУ на основе методов теории принятия решений при многих критериях, усовершенствование расчетного кода CASCADEX, включающего развитие методов расчета сечений реакций глубокого расщепления, эмиссии кластеров и выходов легких ядер в мишени электроядерных установок (ЭЛЯУ), обновлению и расширению файлов библиотек оцененных ядерных данных HEPAD, HEAD.
Цель диссертации определяет постановку и решение следующих задач:
Изучение особенностей, областей применения каскадно-испарительной модели CASCADEX;
Реализация процедуры расчета выходов легких ядер на базе модели CASCADEX;
Разработка алгоритма оценки высокоэнергетических ядерных данных на основании многофакторного анализа;
Разработка методики оценки моделей высокоэнергетических ядерных реакций, создание на основе предложенной методики интерактивной среды;
Оценка моделей высокоэнергетических ядерно-ядерных взаимодействий на основании разработанных программных средств и методик.
На защиту выносятся следующие положения:
Методы оценки активационных ядерных данных в высокоэнергетической области с использованием методов теории принятия решений при многих критериях;
Программный комплекс CASCADEX 1.2, включающий в себя учет выходов легких ядер, определяющих накопление газообразных продуктов в мишени ЭЛЯУ и продуктов реакций глубокого расщепления;
Интерактивные программные комплексы подготовки, верификции и валидации баз активационных ядерных данных в области энергий от 0,1 до 10 ГэВ;
Результаты сравнительного анализа моделей ядерно-ядерных взаимодействий в области энергий от 50 МэВ до 1 ГэВ и данных натурного эксперимента для основных конструкционных материалов ЭЛЯУ (56Fe>59Co>184W>209BiHDa,Pb).
Научная новизна данного диссертационного исследования заключается в том, что в работе:
Впервые разработан интерактивный программный комплекс для подготовки, верификации и валидации активационных ядерных данных в области энергий от 50 МэВ до 10 ГэВ на основе каскадно-испаритаельных моделей, необходимых для расчетного обоснования проектов ЭЛЯУ;
Впервые предложен подход к оценке активационных ядерных данных в области энергий от 50 МэВ до 10 ГэВ на основе методов теории принятия решений при многих критериях, позволяющий формировать самосогласованный набор систем константного обеспечения расчетов ЭЛЯУ;
Впервые предложена модифицированная версия ПК CASCADEX 1.2, включающая в себя учет выходов легких ядер, определяющих накопление газообразных продуктов в мишени ЭЛЯУ и продуктов реакций глубокого расщепления на основе модифицированного подхода Хаузе-ра-Фешбаха, реализованного в TALYS 1.2;
Впервые представлены результаты сравнительного анализа моделей ядерно-ядерных взаимодействий в области энергий от 50 МэВ до 1 ГэВ и данных натурного эксперимента для основных конструкционных материалов ЭЛЯУ (56Fe, 59Со, 184W, 209ВІ и mtPb).
Практическая ценность работы состоит в следующем:
Проведена верификация и валидация программного комплекса CASCADEX на известных экспериментах и бенчмарках. Даны рекомендации по свободным параметрам данной модели для изотопов необходимых для константного обеспечения ЭЛЯУ;
Подготовлены секции в библиотеки оцененных ядерных данных для ряда изотопов необходимых для расчета характеристик при проектировании и оптимизации эксплуатационных режимов ЭЛЯУ;
Разработан интерактивный комплекс позволяющий получить высокоэнергетические ядерные данные, выработать рекомендации по применению моделей на основании теории принятия решений при многих критериях, оценить параметры моделей и создать библиотеку оцененных ядерных данных.
Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы поскольку были апробированы в международном проекте «Benchmark of Spallation Models» проводимым МАГАТЭ, в работе использовались современные экспериментальные данные и теоретические представления о механизмах ядерных реакций в рассматриваемом энергетическом диапазоне, а также современные программы расчета ядерно-ядерных взаимодействий в высокоэнергетической области.
Личный вклад соискателя в представленную работу заключается:
В разработке и реализации справочно-информационного интерактив
ного комплекса, подготовке библиотек ядерно-физических данных;
Реализации модификаций модели CASCADEX, а именно, в создании интерактивной среды работы с кодом, в осуществлении процедуры расчета выходов газообразных продуктов реакций глубокого расщепления по коалесцентной модели и модели движущегося источника, в соединении CASCADEX и Talys 1.2;
Проведении всех верификационных и валидационных расчетов на известных экспериментах и бенчмарках с их последующим анализом для выявления возможности применения к решению задач разработки ЭЛЯУ;
Оценке моделей на основании разработанных программных средств и методик;
В обновлении и расширении файлов библиотек оцененных ядерных данных HEPAD, HEAD.
Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследования докладывались на всероссийских и международных семинарах и конференциях:
Безопасность АЭС и подготовка кадров. X Международная конференция, Обнинск, 1-4 октября 2007 г.
XV семинар по проблемам физики реакторов («Волга-2008»). Актуальные проблемы физики ядерных реакторов - эффективность, безопасность, нераспространение. Москва, 2-6 сентября 2008 года.
Workshop on Accelerator Radiation Induced Activation (ARIA'08), Villi-gen, Switzerland, October 13 -17, 2008.
Безопасность АЭС и подготовка кадров. XI Международная конференция, Обнинск, 29 сентября - 2 октября 2009 г.
Научная сессия НИЯУ МИФИ-2009, Москва, 25-30 января 2009
ND-2010 - International Conference on Nuclear Data for Science and Technology. Jeju Island, Korea, 26 - 30 April, 2010.
Научная сессия МИФИ - 2010, Москва, 25-31 января, 2010.
Научная сессия МИФИ - 2011, Москва, 02-05 февраля, 2011.
Научная сессия МИФИ - 2012, Москва, 30 января - 4 февраля, 2012.
Результаты исследования представлены в статьях: по теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК, 12 - в материалах всероссийских и международных конференций и семинаров. Получено 2 авторских свидетельства.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, библиографического списка, включающего в себя 117 наименований. Работа изложена на 121 страницах с 30 иллюстрациями и 15 таблицами.
