A study of the dependence of source efficiency on design parameters in source-driven subcritical nuclear systems

Abstract

Temelde klasik nükleer üretim süreçlerinde, fisil çekirdeğin parçalanması ile ortaya çıkan fisyon ürünleri ve nötron ilgili çekirdek tarafından yutulduğu zaman oluşan transuranyum malzemeler, saniyeler mertebesinden yüz bin yıllara uzanan yarı ömürlü aktif çekirdeklerin oluşmasına yol açarlar.Nükleer endüstrinin, atık yakıtlardan plutonyum ve uranyumu ayrıştırmak için kullandığı PUREX süreçleri olsa da, bunun dışında minör aktinidlere dair bir süreçleri olmaması sebebi ile, geri kalan atık için takip edilen yöntem, uzun zamanlı gömme yöntemidir. Hem yüksek seviyeli radyasyon kirliliği hem de yarı ömürlenme zamanlarının ciddi şekilde uzun olması, bu metod üzerinde güvenlik ve finansal anlamda baskı yaratmaktadır.Bu aktif çekirdeklerin bir çoğu için daha nötron yutma yolu ile daha stabil bir çekirdek haline dönüştürülmesi veya fisyona uğratılması mümkündür. Özellikle uranyum ötesi malzemelerin fisyona uğraması ile zaman baskısının ciddi şekilde azaltılabileceği değerlendirilmiştir Bu bakış açısında hareketle Carlo Rubbia, kaynak tahrikli alt kritik sistem fikrini öne sürmüştür. Temelde, plutonyum ve minör aktinidlerin yüksek fisyon tesir kesitinden hareketle, hızlı reaktör olarak tasarlanmış bu sistem, operasyonun güvenliğine binaen de, alt kritik bir dizayna, yani öz sistemin bir nötron başına birden az nötron ürettiği bir içeriğe sahiptir. Sistemin sönmemesi ve reaksiyonun devamı için, dışarıdan proton hızlandırıcı tarafından dövülen bir kaynaktan (ör: kurşun) türeyen kaynak nötronları, sisteme aktarılır. Tasarım, bu yol ile, hem yarı ömrü çok uzun olan atıkların, daha kabul edilebilir yarı ömürlü çekirdeklere dönüşmesini, hem de enerji üretimini hedeflemektedir.Ancak ilgili dizaynın verimli bir şekilde çalışması,temelde hızlandırıcının harcadığı enerjinin minimize edilmesi ve bu paralelde enerji üretimin maksimize edilmesi ile mümkündür. Temelde üretilen kaynak nötronu başına üretilen enerjinin maksimize edilmesi gerekmektedir. Kaynak verimliliği bu anlamda, tezin temel konusudur ve dizaynın ana parametresidir. Her şeyden önce kaynak tahrikli alt kritik sistemler ile ilgili temel bilgiler ifade edilmiştir. Bir ADS'nin, temel bileşenleri olarak; yakıt, hedef, hızlandırıcı ve soğutucu bu tez kapsamında incelenmiştir.Yakıtlar için oksit, metal ve nitrid bazlı alternatifler değerlendirilmiş, malzemelerin kimyasal ve fiziksel stabilitesi, erime, kaynama ve buna bağlı operasyon sıcaklıkları verilmiş ve alternatifler buna bağlı olarak değerlendirilmiştir.Hızlandırıcılar için ana iki ayrım olan siklotron ve çizgisel hızlandırıcılar değerlendirilmiştir. Soğutucular için ise kurşun-kurşun bismut, tuz ve gaz seçenekleri değerlendirilmiş ve ısı iletim özellikleri, faz değiştirme sıcaklıkları ve diğre parametreleri uygunluklarına göre ifade edilmiştir. Hedef için de, kabul görmüş en uygun alternatif kurşun ile ilgili bilgi verilmiş ve operasyon kapsamında gerekli bilgiler ifade edilmiştirTakiple kaynak tahrikli alt kritik sistemler tasarımı için kritik olan çoğaltma katsayısı, alt kritik çoğaltma katyayısı ve kaynak verimliliği kavarmlarının teorik arka planı aktarılmış ve açıklanmıştır. Kaynak verimliliğinin analitik şekilde elde edilmesi, geride takip eden çoğaltma katsayısı ve alt kritik çoğaltma katyayısı kavarmlarına ciddi şekilde bağlıdır. Bu yüzden tezin takip eden her analitik çözüm içeriğinde bu parametreler de hesaplanmış be sunulmuştur.Dört adet küresel koordinatta analitik çözümü elde edilmiş problem değerlendirilmiştir: `Tek grup tek bölge sabit kaynak`, tek enerji gruplu tek boyutlu sistemin tümünde bulunan bir kaynak için alt kritik sistemin analitik olarak çoğaltma katsayısı ve alt kritik çoğaltma katyayısı ve kaynak verimliliği çözümlerini vermektedir.`Tek Grup Tek Bölge lokalize kaynak`, tek enerji gruplu tek boyutlu bir sistemde lokaliza bir kaynağın sistem içerisinde herhangi bir konumu için alt kritik sistemin analitik olarak çoğaltma katsayısı ve alt kritik çoğaltma katyayısı ve kaynak verimliliği çözümlerini vermektedir.`Birinci bölgede sabit kaynak olmak üzere tek grup iki bölge`, tek enerji gruplu tek boyutlu ancak iki bölgeden, bir tanesi kaynak yarıçapı ve bir tanesi yakıt bölgesi olmak üzere, oluşan alt kritik sistemin değişen kaynak yarıçapına ve sistem yarıçapına göre analitik olarak çoğaltma katsayısı ve alt kritik çoğaltma katyayısı ve kaynak verimliliği çözümlerini vermektedir`İki Grup Tek Bölge nokta kaynak`. İki enerji gruplu tek boyutlu bir sistemde noktasal bir kaynağın sistem içerisinde herhangi bir konumu için alt kritik sistemin analitik olarak kaynak çarpan, alt kritik çarpan ve kaynak verimliliği çözümlerini vermektedir.Bu dört incelemeyi takiple, elde edilne denklem setleri MATHEMATICA yardımı ile modellenmiş, sistem boyutu, kaynak konumu veya boyutuna göre çoğaltma katsayısı ve alt kritik çoğaltma katyayısı ve kaynak verimliliğinin değişimleri gözlemlenmiş, elde edilen sonuçlar, beklenen sonuçlar ile karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Buna bağlı yorumlar ifade edilmiştir.Elde edilen analitik çözümlerin doğruluğunun teyidi için, çok gruplu sonlu fark difüzyon kodu DIFSP yardımı ile, analitik sonuçlar ve numerik çözümler karşılaştırılmıştır. Gerek Mathematica'da gerekse difüzyon kodunda kullanılan tüm nükleer parametreler verilmiş ve ortaya çıkan kaynak çarpan, alt kritik çarpan ve kaynak verimliliğinin karşılaştırmaları yapılmış ve hata oranları paylaşılmıştır. Hakeza difüzyon kodunda ızgara için kullanılan nokta sayıları ve varsa lokalize kaynağın bulunduğu noktalar ifade edilmiştir.Analitik çözümlerin doğruluğu teyit edildikten sonra, kaynak verimliliği konsepti kaynak tahrikli alt kritik sistemlere dair parametrelerle karşılaştırmalı şekilde incelenmiştir. Hedef bölgesi boyutları ile kaynak verimliliği ilişkisi incelenmiş, sonuçları tablo ve grafikler yardımı ile ayrıntılı olarak paylaşılmış ve çıktılar tartışılmıştır. Yakıt bölgesi boyutları ve kaynak verimliliği ilşikisi incelenmiş sonuçları grafik olarak paylaşılmış ve çıktılar tartışılmıştır.İlgili hesaplardan ve incelemelerden sonra, kaynak tahrikli alt kritik sistem için bir yakıt alternatifi olarak amerisyum ve plutonyum karışımı önerilmiştir. İlgili malzemeler için fisyon tesir kesitleri ve diğer nükleer sabitler sunulmuş, yakıt için temel parametreler örnek olarak hesaplanmıştır.Daha sonra, ilgili karışımın değişen malzeme yüzdelerine göre yakıtın davranışı incelenmiş ve temel parametre ve sonuçlar tablo olarak sunulmuştur. Yine grafikle bu değişim ifade edilmiş ve çıktıları tartışılmıştır. Son olarak, tüm sonuçların kısa bir özeti ve buradan yapılan çıkarım sunulmuştur.

ADS, which is first proposed by Carlo Rubbia, is an operationally safe alternative for inceration, transmutation since it has a sub critical core and with a fast neutron Unified with a power production perspective, source efficiency presents a paramount importance. The major energy input in an ADS design, is the accelerator power. With increased source efficiency, it is possible to minimize this energy and maximize productivity.In this thesis, first a brief introduction to ADS is provided. In some, detail the transmutation concept, accelerators, spallation targets, fuel elements and coolant are discussed.Following that the theory of source multiplication, subcritical multiplication factor and source efficiency are presented, since these concepts are crucial to ADS design. Four benchmark analytical solutions in spherical coordinates were presented as: `One Group One Region Flat Source`, `One Group One Region Dirac Source`, `One Group Two Region System with Flat Source in the Inner Region`, `Two Group One Region Dirac Source`.The behaviors of key parameters were studied for the four benchmark solutions through Mathematica modelled graphs.Then, using finite difference multi group diffusion code DIFSP, the analytical results and numerical result are compared for the four benchmark solutions and the calculated nuclear parameters associated error margins are presented.Concluding the authenticity of solutions, the variations of source efficiency with respect to ADS parameters is assessed. Tables and figures for target radius and source efficiency, blanket radius and source efficiency are presented and their relations are discussed.Also parameters for an alternative fuel option of ADS, americium and plutonium mix, are calculated and discussed for different ratios, acting as a benchmark for minor Actinide fuels.Lastly, a brief summary of the results and inferences for ADS are presented.