بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله با در نظر گرفتن الکترونهای با انرژی 5 و 10 مگاالکترون ولت تولید شده از شتابدهنده خطی الکترون، چشمه فوتونوترون طراحی شده که در آن از تنگستن و آب سنگین استفاده شده است. آب سنگین به عنوان ماده خنککننده نیز استفاده میشود. با استفاده از کد MCNPX هندسه مواد، بهینهسازی گردید. با استفاده از روش خنکسازی جت آب، تغییرات دمای تنگستن بر حسب تغییر شدت جریان الکترون و تغییر سرعت آب خنککننده محاسبه شده است. با بهکارگیری ابعاد بهینه هدفها، فوتونوترونهای تولید شده برابر با 1/9× 1010 . با انرژی متوسط 0/05 MeV برای الکترونهای 5 MeV و 1/25× 1011 . با انرژی متوسط 0/16 MeV برای الکترونهای 10 MeV محاسبه شده است.
مقدمه:
کاربردهای روزافزون نوترون در زمینههای مختلف علوم، پزشکی، صنعت و غیره، توجه جامعه علمی به تحقیق در زمینه روشهای نوین تولید نوترون را افزایش داده است. در کنار راکتورها، شتابدهندهها نیز به یکی از ابزار مهم تولید نوترون تبدیل شدهاند که با استفاده از آنها نوترون از طریق تلاشی و یا واکنشهای فوتوهستهای تولید میشود. تحقیقات بر پایه طراحی و تولید چشمه فوتونوترون با استفاده از شتابدهندههای الکترون از سال 1950 شروع شده است و همچنان در حال پیشرفت است
از مزایای تولید فوتونوترون با استفاده از شتابدهنده نسبت به چشمههای رادیواکتیو میتوان تولید نوترون با شدت بالا، امکان خاموش کردن بدون نیاز به حفاظسازی، شدت پرتو گامای آلودگی - پرتوهای گامای مخلوط با نوترون - کم و غیره را نام برد. تحقیقاتی بر روی تولید فوتونوترون با استفاده از آب سنگین انجام شده است .[6-4] با استفاده از کد MCNP فوتونوترون تولید شده از آب سنگین با استفاده از الکترونهای 10 MeV شتابدهنده خطی شبیهسازی شده که قابل مقایسه با نتایج تجربی است
در فرآیند تولید فوتونوترون، هندسه و خواص هدف تولید فوتون و هدف تولید نوترون تاثیر زیادی در شار نوترون تولیدی دارند. انرژی فوتون برای غلبه بر انرژی بستگی نوترونها در هدف تولید فوتونوترون و سطح مقطع تولید فوتونوترون دارای اهمیت زیادی هستند. واکنشهای 2D - 'n - 1H و 9Be - ' n - 8Be دارای کمترین مقدار انرژی آستانه برای تولید فوتونوترون هستند و همچنین سطح مقطع این مواد برای تولید فوتونوترون توسط محققان زیادی به دست آمده است
مقدار زیادی از انرژی الکترونهای فرودی در هدف تولید فوتون تبدیل به گرما میشود و سبب افزایش دمای آن شده و میتواند بر خواص آن تاثیر بگذارد. در سالهای اخیر برای حذف حرارت ایجاد شده در هدف، استفاده از تکنیک جت مایع مورد بررسی قرار گرفته که در آن مایع خنک کننده به سمت نازل جهتگیری میشود و بر روی هدف تزریق میشود .[11] در این مقاله از کد MCNPX برای طراحی چشمه فوتونوترون استفاده شده است
تنگستن به عنوان هدف تولید فوتون و آب سنگین به عنوان هدف تولید فوتونوترون و همچنین به عنوان سیال انتقالدهنده حرارت تولید شده در تنگستن، بهکار میرود. در اطراف این چشمه فوتونوترون، از بریلیوم به عنوان بازتابنده نوترونها و مبدل فوتونهای باقیمانده به نوترون استفاده میشود. همچنین روش جت مایع برای خنکسازی هدف تنگستن با به کارگیری نرم افزار MATLAB مورد بررسی قرار گرفته است.
روش کار:
برای بهدست آوردن فوتونهای تابش ترمزی از یک قطعه تنگستن به شکل استوانه استفاده میشود. برای بیشینه کردن فوتونهای تابش ترمزی، با استفاده از کد MCNPX ابعاد تنگستن بهینهسازی شده است. در شبیهسازیها باریکه الکترونی با شعاع 1 cm که دارای توزیع یکنواخت است در نظر گرفته میشود. در شعاع ثابت 1 cm تنگستن، تغییرات فوتون تولید شده در برابر تغییر ضخامت هدف برای الکترونهای با انرژی 5 MeV و 10 شبیهسازی میشود. بهطور مشابه، در این ضخامت بهینه هدف، تغییرات فوتون تولید شده در برابر تغییر شعاع هدف بررسی میشود. بریلیوم با انرژی آستانه MeV 1/666 و دوتریوم با انرژی آستانه 2/226 MeV در بین مواد کمترین انرژی آستانه را دارند. ابعاد هدف تولید نوترون به همان روش هدف تولید فوتون بهینه شده است.
یکی از آلودگیهای باریکه نوترون، تابش گاماست. با پوشاندن چشمه نوترون با یک مبدل مناسب -n و یا یک بازتابنده میتوان شار نوترون را افزایش داد 13] و .[14 چنانچه در شکل - 1 - نشان داده شده است، از چند بازتابنده به صورت مخروطی شکل برای موازی کردن نوترونها استفاده شده است. ماده بازتابنده باید دارای سطح مقطع کوچک جذب نوترون و سطح مقطع بزرگ پراکندگی نوترون باشد، همچنین میتوان از مادهای در اطراف چشمه فوتونوترون استفاده کرد که سطح مقطع جذب نوترون آن کوچک باشد و انرژی آستانه تولید فوتونوترون در آن نیز کم باشد به طوری که فوتونهای آلودگی قابلیت تولید فوتونوترون در آن را داشته باشند. گرافیت و سرب و بریلیوم به عنوان مواد بازتابنده انتخاب شدهاند.
فلز تنگستن در محیط خشک و مرطوب فقط در دماهای نسبتا پایین پایدار است و حدودا در دمای 400℃ اکسید میشود. لایه اکسید تشکیل شده ضخیم نمیباشد و باعث جلوگیری از فرآیند اکسید شدن نمیشود. در دماهای بالاتر از 700 ℃ آهنگ اکسید شدن افزایش خواهد یافت و در دماهای بالاتر از 900℃ تنگستن شروع به تصعید میکند. وجود رطوبت در هوا نیز باعث افزایش سرعت فرآیند اکسید شدن میشود. اگرچه تنگستن فلزی با دمای ذوب بالا است ولی حساسیت آن به اکسید شدن یکی از معایب آن میباشد.
قطعه تنگستن با آب مایع واکنش نمیدهد ولی در دمای حدودا 600 ℃ وجود بخار آب سبب واکنش اکسیداسیون در آن میشود .[15] برای محاسبه حرارت تولید شده توسط الکترونهای فرودی به تنگستن از تالی F6 کد MCNPX استفاده شده است. مقدار انرژی تولید شده در این قطعه برای الکترونهای فرودی 5 MeV برابر با 3/50111 MeV/e و برای الکترونهای 10 MeV برابر با 7/01998 MeV/e محاسبه شده است. برای دستیابی به بالاترین میزان جریان الکترون که به ازای آن قطعه تنگستن ذوب نمیشود یک مدل خنکسازی شبیهسازی شده است.
در سیستم تولید نوترون از آب سنگین به عنوان هدف تولید نوترون و همچنین سیال خنک کننده استفاده میشود. به منظور جلوگیری از بخار شدن آن و واکنش اکسیداسیون، دمای قطعه تنگستن باید پایینتر از دمای نقطه بخار آب سنگین باقی بماند. یکی از موثرترین روشها برای خنکسازی قطعه استفاده از تکنیک جت آب میباشد. از مزایای این روش خنکسازی میتوان به ضریب انتقال حرارت بالا و توانایی در کنترل نرخ انتقال حرارت قطعه بهوسیله عواملی مانند سرعت و آرایش جتهای آب نام برد. به منظور جلوگیری از واکنش اکسیداسیون در قطعه تنگستن باید یک محدودیت دمایی برای آن در نظر گرفت
