بخشی از مقاله
چکیده
هدف از این مقاله، بررسی رفتار نوترونی قلب راکتور ماژولار SMART می باشد.SMART یک رآکتور سایز کوچک از نوع آب تحت فشار می باشد که در کشور کره جنوبی توسعه یافته است. این رآکتور به صورت مدار مجتمع و یکپارچه بوده بطوریکه تمامی تجهیزات مدار اول آن در داخل محفظه تحت فشار رآکتور قرار داده شده است. در تحلیل انجام شده با بکارگیری کدهای WIMS-D5 و CITATION-LDI2 پارامترهای نوترونی این رآکتور نظیر ضریب تکثیر مؤثر، توزیع شار نوترونی مورد بررسی قرار گر فته است. جهت اعتبار سنجی نتایج، حاصل با گزارشات و مقالات مربوط مقایسه شد. مقایسه نتایج نشان دادند که همخوانی خوبی با یکدیگر دارند و از درصد خطای کمی برخوردار می باشند.
مقدمه
تحقیق و توسعه در زمینه رآکتورهای ماژولار با ابعاد کوچک - SMR: Small Modular Reactor - و ایمنی بالا یکی از مهمترین مباحث تحقیقات علمی در دهه اخیر بوده است بطوریکه در برخی از کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه از جمله: آمریکا، کانادا، فرانسه، روسیه، چین، ژاپن، کره جنوبی، آرژانتین، برزیل، آفریقای جنوبی و هند، طرح های عملیاتی مفهمومی جالبی از این نوع رآکتورها ارائه شده است. از ویژگیهای رآکتورهای ماژولار می توان به طراحی ساده، ایمنی ذاتی بالا، بازدهی و کارایی بیشتر، هزینه بهره برداری کمتر، افزایش زمان کاربری و عملکرد طولانی مدت، عدم نیاز به سوخت گیری به مدت چندین سال، استفاده چندگانه جهت تولید آب شیرین و ...اشاره نمود. همچنین با توجه به ابعاد کوچک این نوع رآکتورها و ساخت آنها به صورت یک واحد یکپارچه، امکان حمل آسان و نصب آن در مناطق دور و یا در شهرک های کوچک نیز امکان پذیر می باشد. هر یک از طرح های رآکتور ماژولار با توجه به نیاز پیش بینی شده از جمله توان،
نوع کاربری و تعداد ماژول ها، دارای تکنولوژی و طرح منحصر به فردی می باشند. تا کنون بیش از 60 طرح پیشنهادی برای رآکتورهای ماژولار ارائه شده است. طراحی مفهومی رآکتور SMART در کره جنوبی از سال 1997 شروع و تا سال 2005 ادامه داشت. طراحی پایه این رآکتور نیز از سال 2002 آغاز و تا سال 2015 ادامه داشت. این رآکتور هم اکنون در فاز اجرایی قرار دارد و نمونه اولیه آن در حال ساخت می باشد. Chang از انستیتو تحقیقات انرژی کره جنوبی، در کنفرانس بین المللی آینده سیستم های هسته ای در ایالات متحده آمریکا رآکتور SMART را به عنوان یک رآکتور پیشرفته سایز کوچک یکپارچه برای تولید همزمان برق و آب شیرین معرفی نمود Kang .[1] و همکارانش طی مقاله ای، طرح مطالعاتی رآکتور تحت فشار یکپارچه SMART را بررسی نمودند Kim .[2] و همکارانش با ارائه مقاله ای در چهارمین کنفرانس بین المللی رآکتورهای سایز کوچک و متوسط به عنوان گزینه های جدید نیروگاههای هسته ای در کشورها، به بررسی توسعه طراحی و بازبینی رآکتورهای آب تحت فشار ماژولار یکپارچه از جمله SMART پرداختند .[3] همچنین Kim و همکارانش طی مقاله ای در کنفرانس رآکتورهای نسل چهارم در ژاپن، برنامه های تایید و بازبینی رآکتور SMART را ارائه نمودند Zee .[4] در سال 2007 طی گزارشی به بررسی توسعه طراحی سیستم های رآکتور SMART پرداخت .[5] Hong و Song طی مقاله ای در مجله Annals of Nuclear Energy با استفاده از کدهای MASTER و DORT به بررسی و تعیین ارزش میله های کنترل در رآکتور SMART پرداختند .[6] Kim و همکارانش در مجله مهندسی انرژی و قدرت، SMART را به عنوان نخستین رآکتور پیشرفته مجتمع دارای مجوز بررسی نمودند .[7] در این تحقیق، شبیه سازی قلب راکتور ماژولار SMART که یکی از اصلی ترین اجزای نیروگاههای هسته ای است مورد پژوهش و بررسی قرار گرفته است.
روش کار
راکتور پیشرفته ماژولار SMART یک راکتور یکپارچه آب تحت فشار با قدرت حرارتی 330 مگاوات و قدرت الکتریکی 100 مگاوات می باشدکه در کشور کره جنوبی توسعه یافته است. خنک کننده و کندکننده این راکتور آب سبک، دمای ورودی و خروجی قلب به ترتیب 296 و 323 درجه سانتی گراد و فشار مدار اولیه آن 15,5 مگا پاسکال می باشد. در شکل - 1 - نمایی از محفظه تحت فشار این رآکتور نشان داده شده است. شکل : 1 نمایی از محفظه تحت فشار رآکتور [6] SMART قلب رآکتور SMART شامل 57 بسته سوخت مربعی با طول فعال 2000 mm می باشد. نمایی از قلب این رآکتور در شکل - 2 - نشان داده شده است.
شکل : 2 نمایی از قلب رآکتور [6] SMART
هر بسته های سوخت این رآکتور شامل 264 میله سوخت، 24 کانال راهنمای میله کنترل و 1 کانال اندازه گیری می باشد. بسته های سوخت این راکتور مشابه رآکتورهای آب تحت فشار می باشد. رآکتیویته قلب رآکتور با استفاده از میله های جاذب سوختنی Gd2O3 با ترکیب اورانیوم با 1/8 درصد وزنی کنترل می گردد. در مطالعه انجام شده محاسبه توزیع توان و ضریب تکثیر مؤثر در محاسبات نوترونی با محاسبات سلولی و محاسبات قلب رآکتور صورت پذیرفت. در مرحله اول با بهره گیری از کد WIMS-D5،
مقالهنامه کنفرانس فیزیک ایران 1396 ضرایب گروهی مورد نیاز کد CITATION-LDI2 محاسبه شد. بدین منظور با توجه به ساختار و چیدمان میله های سوخت در یک بسته سوخت، به مدلسازی انواع سلولهای محاسباتی در کد WIMS و داده های بدست آمده از این طریق جهت محاسبات شار نوترونی و توان به کد CITATION لینک گردید. نحوه مش بندی قلب رآکتور SMART در کد CITATION در شکل - 3 - نشان داده شده است.
شکل : 3 نحوه مش بندی کل قلب در کد CITATION
نتایج
در جدول - 1 - مقادیر ضریب تکثیر موثر با مراجع [8] مقایسه شده است.
مقایسه ضریب تکثیر موثر نشان می دهد بر اساس محاسبات کد CITATION قلب رآکتور SMARTحدوداً داری 72 mk رآکتیویته مازاد می باشد این درحالیست که براساس نتایج کد [8] COREDAX رآکتیویته مازاد قلب در حدود 88 mk است. اختلاف حاصل را می توان به متفاوت بودن روش محاسباتی دو کد دانست با این نتایج به یکدیگر نزدیک می باشند. زیرا کد COREDAX از روش بسط نودال معادله پخش استفاده می کند در حالیکه کد CITATION از روش اختلاف محدود برای حل معادله پخش استفاده شده است. در شکل - 4 - توان نرمالیزه محوری بدون وارد شدن میله های کنترل ارائه و با مراجع [8] مقایسه شده است. نتایج نشان می دهد که رفتارها به یکدیگر نزدیک و همخوانی خوبی بین نتایج وجود دارد.
شکل : 4 مقایسه توزیع فاکتور پیک توان محوری بدون ورود میله های کنترل در شکل - 5 - توان نرمال شده محوری با وارد شدن میله های کنترل در قلب رآکتور ارائه شده است.
شکل : 5 توزیع فاکتور پیک توان محوری با وارد شدن میله های کنترل در شکل - 6 - توزیع فاکتور پیک توان - PPF: Power Peaking - Factor شعاعی در قلب رآکتور SMART در حالت بدون وارد شدن میله های کنترل نشان داده شده و با مرجع [8] مقایسه شده
شکل : 6 توزیع فاکتور پیک توان شعاعی در حالت بدون ورود میله های کنترل
مقایسه نتایج نشان می دهد که همخوانی خوبی بین نتایج 2 کد وجود دارد و اختلاف ها مربوط به متفاوت بودن روش حل دو کد می باشد. در حالیکه مطابق نتایج کد COREDAX ماکزیمم توان مربوط به بسته سوخت مرکزی با PPF=1.24597 می باشد براساس نتایج کد CITATION ماکزیمم توان به یک لایه پس از این مقاله به شرط در دسترس بودن در وبگاه www.psi.ir/?physics96 معتبر است.
