Βελτιστοποίηση πειραματικών/παραγωγικών δυνατοτήτων ερευνητικών πυρηνικών αντιδραστήρων

Abstract

Going through a new phase of Fast Reactors (FRs) design, several advanced Sodium Fast Reactor (SFR) concepts are under development. The concept of SFR has been selected by the Generation IV International Forum as a promising nuclear energy system able to fulfill the following criteria: safety assurance, economic competitiveness, reduction of environmental burden, efficient utilization of resources as well as proliferation resistance and enhanced physical protection. With the perspective to put into operation the above type of reactors, extensive research related to the behavior of the structural materials and the fuel under irradiation conditions (nominal and transient) is required, comprising also relevant studies for the fuel fabrication, the pin cladding and wrapper material. The Material Testing Reactors (MTRs) have been key tools to address the above mentioned irradiation requirements. The objective of this thesis regards the neutronic calculations of a device which, when introduced in the reflector area of the thermal Jules Horowitz Reactor (JHR) will provide a neutron energy spectrum similar to that characterizing SFR. JHR is a thermal MTR and one of its main objectives is the investigation and study of materials for future generations of power plants. Therefore the development of devices that will serve for representative tests of structural materials and fuel is required. The existing (used, under development or proposed) technology related to spectrum tailoring has been studied and is comprehensively presented in the beginning of this thesis. With respect to the existing technology an extended study on thermal neutron absorbers and their effect on the reference spectrum (JHR reflector) has been carried out. Following the methods reported in literature, the addition of a booster fuel inside the JHR has been investigated. Moreover, the introduction of 23Na surrounding the fissile material has been considered. The failure of the above mentioned methods to simulate the SFR spectrum led to the utilization of scattering interactions. The results obtained in this study suggest that elements with important inelastic scattering cross sections around 1MeV can provide a similar to a SFR neutron spectrum, without even the necessity to utilize fissile material. The factors which are important for an effective inelastic scatterer comprise the density and inelastic microscopic cross section values of the scatterer material as well as the energy ranges where inelastic scattering occurs. In prospect to suggest a device capable of achieving the required spectrum modification all the above mentioned factors are separately examined. Current neutron data indicate that potential introduction of this device inside the JHR reflector will not raise safety issues.

Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση υλικών και μεθόδων που αποσκοπούν στη μετατροπή του νετρονικού φάσματος που επικρατεί σε θέσεις ακτινοβόλησης θερμικού ερευνητικού αντιδραστήρα, σε ένα τυπικό φάσμα αντιδραστήρα ταχέων νετρονίων υγρού νατρίου. Πιο συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκαν νετρονικοί υπολογισμοί που αφορούσαν την εισαγωγή μίας διάταξης στην περιοχή του ανακλαστή του αντιδραστήρα Jules Horowitz (JHR, Jules Horowitz Reactor). Η αλληλεπίδραση των νετρονίων με τα υλικά της διάταξης οδηγεί στην προσαρμογή του επικρατούντος νετρονικού φάσματος του JHR στην ενεργειακή νετρονική κατανομή που χαρακτηρίζει έναν SFR. Ο JHR είναι ένας θερμικός ερευνητικός αντιδραστήρας και ένας από τους κύριους στόχους του είναι η έρευνα και η μελέτη υλικών για τους πυρηνικούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας 2ης, 3ης και 4ης γενιάς. Για αυτό το λόγο μία από τις κύριες δραστηριότητες του είναι η ανάπτυξη διατάξεων που θα παρέχουν συνθήκες ακτινοβόλησης των δομικών υλικών και των καυσίμων αντιπροσωπευτικές του περιβάλλοντος όπου αυτά πρόκειται τελικά να χρησιμοποιηθούν.Στο πλαίσιο της διατριβής πραγματοποιήθηκε μελέτη της σχετικής υπάρχουσας (ήδη σε χρήση, υπό ανάπτυξη ή προτεινόμενης) τεχνολογίας, η οποία αποτέλεσε υπόβαθρο για την προσέγγιση επίλυσης του προβλήματος και παρουσιάζεται περιεκτικά στην αρχή της διατριβής. Η ρύθμιση του φάσματος επιτυγχάνεται με την ενίσχυση του λόγου ταχέων προς θερμικά νετρόνια, δηλαδή, είτε με την εγκατάσταση υλικών που απορροφούν αποτελεσματικά τα θερμικά νετρόνια ή/και με την προσθήκη σχάσιμου υλικού, ενισχύοντας έτσι την συνιστώσα των ταχέων νετρονίων. Και οι δύο μέθοδοι σχετίζονται με αλληλεπιδράσεις νετρονικής σύλληψης. Με άξονα τις μεθόδους που έχουν ήδη αναπτυχθεί, πραγματοποιήθηκε εκτεταμένη μελέτη των υλικών που παρουσιάζουν ισχυρή ικανότητα απορρόφησης θερμικών νετρονίων καθώς και της επίδρασής τους στο φάσμα αναφοράς (JHR-ανακλαστής). Στη συνέχεια, ακολουθώντας τις μεθόδους που αναφέρονται στη βιβλιογραφία, διερευνήθηκε η επίδραση της προσθήκης σχασίμου υλικού στο εσωτερικό του JHR-ανακλαστή. Επιπλέον, θεωρήθηκε ικανή ποσότητα νατρίου ως περίβλημα του σχάσιμου υλικού προκειμένου να μελετηθεί εάν η παρουσία του μπορεί να προκαλέσει μετατόπιση του φάσματος. Οι τεχνικές αυτές, αν και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μετατροπή ενός θερμικού φάσματος σε φάσμα ταχέων νετρονίων, αποτυγχάνουν να προσομοιώσουν το SFR φάσμα. Δεδομένου αυτού, η εργασία οδηγήθηκε στην προσαρμογή του φάσματος κάνοντας χρήση των αλληλεπιδράσεων σκέδασης.Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν ότι μία διάταξη υλικών που χαρακτηρίζονται από σημαντικές μικροσκοπικές διατομές ανελαστικής σκέδασης περί το 1 MeV, μπορεί να δημιουργήσει ένα νετρονικό φάσμα που προσεγγίζει σε αρκετά ικανοποιητικό βαθμό αυτό του SFR, χωρίς καν να απαιτείται η ενίσχυση της συνιστώσας ταχέων νετρονίων με σχάσιμο υλικό. Οι παράγοντες που προσδιορίζουν αποτελεσματικούς ανελαστικούς σκεδαστές περιλαμβάνουν την πυκνότητα και την μικροσκοπική ενεργό διατομή ανελαστικής σκέδασης καθώς και τις ενεργειακές περιοχές όπου αυτή λαμβάνει χώρα. Για την πρόταση μιας διάταξης που μπορεί να επιτύχει την απαιτούμενη τροποποίηση του φάσματος όλοι οι παραπάνω παράγοντες πρέπει να εξετάζονται ξεχωριστά. Προκαταρκτικοί νετρονικοί υπολογισμοί έδειξαν ότι η εισαγωγή μίας τέτοιας διάταξης στον ανακλαστή του JHR δεν εγείρει ζητήματα ασφάλειας.