Hızlandırıcıyla sürülen nükleer sistemlerde çoğaltma katsayıları

Abstract

Harici kaynakla sürülen bir fisil kalp kavramı, kritiklik açısından bakıldığında güvenli bir sistemdir. Uzun zaman önce önerilmiş olmasına rağmen bu kavramın dirilişi GIF IV (4. Nesil Uluslararası Forum - Generation IV International Forum) girişiminin sahne almasıyla oldu. Bir ADS sistemi üç ana parçadan oluşur: Proton hızlandırıcı, spallasyon kaynağı - soğutucu, ve fisil örtü. Çift amaçlı bir sistemdir; günümüzdeki nükleer güç reaktörlerinden çıkan nükleer atığın insinerasyonu ve transmutasyonu ile birlikte enerji üretimi için tasarlanmıştır. Önerilen 6 yeni GIF IV nükleer reaktör prototipine parallel olarak, ADS geliştirilmesi yönünde ilerleyen bir araştırma çalışması vardır. Kritiklikten uzak olan ADS'de, geleneksel kalplerdeki kritiklik ve kinetik ile ilgili standart yöntemler artık geçerli değildir. Bu çalışmada tek boyutlu slab geometride, bir fisil örtü bölgesi ile çevrelenmiş olan ve merkezinde spallasyon kaynağı bulunan bir kalp, model ADS olarak alınmıştır. Böyle bir sistemde, bakir harici kaynak nötronlarının etkinliği kaynak çoğaltma katsayısı ile tanımlanmaktadır ve fisyon kaynağı çoğaltma katsayısı da sonradan gelen fisyon zincirlerinin nötron ekonomisine katkısının bir ölçüsüdür. Çoğaltma katsayısı, bütün fisil sistemin nötronsal davranışını gösteren skaler bir özelliktir, fakat sistemin ince detaylarını hesaba katabilmek için bu özelliğin mümkün olduğunca titiz bir şekilde tanımlanması gerekir. Bu amaçtan hareketle, problem için gerekli olan iki enerji gruplu difüzyon denklemleri ve bunlara eşlik eden ağırlık fonksiyonları için bir yardımcı denklemler seti kullanıldı. Sistemin etkin çoğaltma katsayısı, kaynak ve fisyon zinciri çoğaltma katsayısı ile karşılaştırıldı. Model basit olmasına rağmen, problemi kavramak için gereken temel fiziksel anlayışı sağlamaktadır.

Although the concept of a fissile core driven by an external source as a safe system from the criticality point of view, has been proposed long time ago, its revival waited until the GIF IV (Generation IV International Forum) initiative took stage. An ADS system consists of three major parts, namely a proton accelerator, a spallation target- coolant, and a fissile blanket. It is a dual purpose system designed to incinerate and transmute nuclear waste from the present- day nuclear power plants, and generate energy as well. In Parallel with 6 newly proposed GIF IV nuclear reactor prototypes, there is an ongoing research effort on the development of ADS. ADS being far away from criticality, the standard methodology related to criticality and kinetics of conventional cores is no longer valid. In the present study, a core with a central spallation source target material surrounded by a fissile blanket region in a one-dimensional slab geometry is taken as a model ADS. In such a system the effectiveness of the virgin external source neutrons is defined by the source multiplication factor and fission source multiplication factor is a figure of merit for the contribution of the ensuing fission chains to the neutron economy. Multiplication factor is a scalar property representing the neutronic behavior of the entire fissile system, but it has to be defined as rigorously as possible, to take the fine details of the system into account. Towards this objective two energy group diffusion equations together with a set of adjoint equations for the accompanying weight functions necessary for the problem are used. Effective multiplication factor of the system is compared with the source and fission chain multiplication factor. Although the model is simple, it provides the basic physical insight for the understanding of the problem.