بخشی از مقاله
چکیده
در این کار ابتدا قلب راکتور با استفاده از کد-MCNP بر پایه سوختهاي ترکیبی توریوم شبیهسازي شده است. همچنین اثرات این سوختها روي پارامتر مهم راکتور - ضریب تکثیر موثر - بررسی شده و ایمنی راکتور مورد بررسی قرار گرفته است. نتیجه مهمی که از این مباحث میتوان گرفت این است که کاهش ضریب تکثیر، بهرهبرداري از سوخت هستهاي شامل را محدود نمیکند، بلکه آسیبهاي پرتویی وارده بر میلههاي سوخت در اثر سوختگی زیاد و خراب شدن آنها، استفاده از آن را محدود می کند.
در این کار به بررسی ترکیبات متفاوت سوخت بر پایه عنصر توریوم پرداخته شده است: %96 - 1 دياکسید توریوم به عنوان سوخت اصلی و %4 دياکسید پلوتونیوم به عنوان ماده کمکی جهت بحرانی شدن راکتور در شروع عملیاتش%98 - 2.1 درصد دياکسید توریوم به عنوان سوخت اصلی و %2 دياکسید پلوتونیوم به عنوان ماده کمکی جهت بحرانی شدن راکتور و ...
مقدمه
امروزه فناوري هستهاي بیشتر بر پایه استفاده از ایزوتوپهاي شکافاي اورانیوم-235 و پلوتونیوم-239 بنا شده است در حالی که توریوم طبیعی طی فرایند1 میتواند تولید ایزوتوپی کند که داراي خواص شکافاي قابل قیاسی با همین ایزوتوپها است. از آنجایی که توریوم خالص به تنهایی نمیتواند راکتور را بحرانی کند می بایست به صورت سوخت ترکیبی با ایزوتوپهاي داراي خواص شکافاي بالا در قلب راکتور به کار برده شود.
از طرفی طی سالهاي گذشته از تولید برق هستهاي، ذخایر زیادي پلوتونیوم از زباله هاي هستهاي برنامهي انرژي هستهاي کشورهاي مختلف جمع شده است و احتمال سوء استفاده از این عنصر و هچنین حوادث رهاسازي این ماده سمی در محیط زیست سبب شده است تا افکار عمومی در سراسر دنیا به دنبال کاهش موجودي این پلوتونیوم باشد.
شاید بتوان گفت اولین چاره براي مدیریت پلوتونیوم سوزاندن آن در راکتورهاي هستهاي به عنوان سوخت باشد. بنابراین دلایل در کنار توریوم از پلوتونیوم استفاده خواهد شد. می-توانستیم از اورانیوم در ترکیب با توریوم استفاده کنیم اما اگر از اورانیوم استفاده میشد طی فرایند2مشاهده میشود که نسل دومی از پلوتونیوم تولید خواهد شد. از آنجایی که یکی از اهداف ما در این کار مدیرت - مصرف - پلوتونیوم میباشد از پلوتونیوم در کنار توریوم استفاده شده است.
فرایند: 1 تبدیل توریوم طبیعی به اورانیوم
فرایند: 2 تبدیل اورانیوم به پلوتونیوم
مزایاي سوختهاي ترکیبی توریوم
- 1 ذخایر توریوم حدود سه برابر ذخایر اورانیوم طبیعی است.
- 2 استفاده از توریوم بهرهبرداري از ذخایر سوخت هسته اي جدید را امکانپذیر میسازد.
3 - دیگر مزایاي توریوم تقویت پادمان هاي هسته اي است. زیرا توریوم به اورانیوم-233 تبدیل خواهد شد، یعنی عنصري که نسبت به پلوتونیوم به مقدار قابلتوجهی کم خطرتر است.
- 4 چرخه توریوم، اورانیوم-233 تولید می کند که از نقطه نظر منع تکثیر در مقایسه با پلوتونیوم به دو دلیل ارجحیتاولاًدارد.
این ایزوتوپ همراه با اورانیوم-232 است که یک ایزوتوپ با رادیواکتیویته بالا است که داراي تابش پرتوهاي گاماي خیلی سخت است که کار کردن با آن و استفاده انحرافی از آن را مشکل می کندثانیاً. با افزودن مقداري اورانیوم-238 به توریوم میتوان اورانیوم-233 را تقلیب کرد.
شبیهسازي قلب راکتور
براي اینکه اثرات این سوختها را روي ضریب تکثیر راکتور ببینیم میبایست با استفاده از کد-MCNP راکتوري شبیه سازي کنیم. مطابق شکل1 راکتور داراي قلب استوانهاي است که درون این استوانه تشکیل شده است از شبکههاي مربعاي شکل. عالم درون این شبکهها پر شده است از آب به عنوان کندکننده و خنک-کننده، میلههاي سوخت و میلههاي کنترل. از آنجایی که راکتور داراي قلب پیچیده میباشد و میلهها شبیه به هم هستند میلهها را با استفاده از دستور - likeو - but به کد معرفی کردیم. در نهایت دستور - - kcode ضریب تکثیر موثر راکتور را براي این سوختها حساب خواهد کرد.
پارامترهاي اصلی این راکتور در جدول1 نشان داده شده است:
جدول1 :پارامترهاي اصلی قلب راکتور شبیهسازي شده
بحث و نتایج
مطابق جدول2 مشاهده میشود زمانی که از توریوم خالص استفاده شده ضریب تکثیر موثر راکتور بسیارراکتورپایین است و نمیتواند بحرانی شود . میبینیم که با اضافه کردن پلوتونیوم به ترکیبات سوخت ضریب تکثیر موثر راکتور در شروع کار راکتور افزایش یافته که این ناشی از وجود مواد شکافاي پلوتونیوم در ترکیبات سوخت میباشد.
در شکل2 مشاهده میشودموادکه شکافاي پلوتونیوم در سالهاي اولیه کار راکتور به تدریج مصرف میشودتقریباً. پس از سه سال اثر پلوتونیوم کاهشعلّت یافته و به صرفهجویی عالی نوترونی در این راکتورها، تبدیل توریوم-232 بطور پیوسته و به اندازه کافی به اورانیوم-233 امکانپذیر میگردد و بحرانی ماندن راکتور تا زمانی که مقدار قابل توجهی از توریوم مصرف شود، ادامه مییابد. این فرایند تا زمانی که معیار خسارت مواد اجازه استفاده از میلههاي سوخت را میدهد، ادامه خواهد یافت.
مشاهده میکنیم که با %2 پلوتونیوم موجود در ترکیبات سوخت منحنی ضریب تکثیر یک کاهش سریعی داشته و این یعنی راکتور در همان ماههاي اول عملیات خود خاموش شده و به اصطلاح میگویند مرده است.
جدول2 :مقادیر ضریب تکثیر موثر راکتور براي ترکیبات مختلف سوخت.
شکل: 2 رفتار ضریب تکثیر موثر راکتور براي ترکیبات مختلف سوخت بر حسب زمان عملکرد راکتور.
در شکل3 تغییرات ضریب تکثیر موثر راکتور بر حسب ارتفاع میلههاي کنترل در داخل قلب راکتور براي ترکیبات مختلف سوخت نشان داده شده است - نتایج این بررسی درآمده جدول3 است - .
جدول2 :مقادیر ضریب تکثیر موثر راکتور براي ترکیبات مختلف سوخت در حالات مختلف براي میلههاي کنترل
