1 Příprava měření vlastností neutronového pole v okolí solného kanálu umístěného v aktivní zóně reaktoru LR-0 pomocí neutronové aktivační analýzy Diplomová práce Martin Suchopár Praha 2010 Vedoucí práce: RNDr. Vladimír Wagner, CSc. Konzultant: Ing. Ondřej Svoboda

2 Cíle práce zaměřit se na přípravu experimentů s tekutými solemi v oblasti studia rozložení pole neutronů pomocí aktivačních detektorů zaměřit se na přípravu experimentů s tekutými solemi v oblasti studia rozložení pole neutronů pomocí aktivačních detektorů seznámit se s projektem vložného solného kanálu na reaktoru LR-0 a s koncepcí reaktoru PB-AHTR (pokročilý vysokoteplotní reaktor s kulovým ložem chlazený tekutou solí) seznámit se s projektem vložného solného kanálu na reaktoru LR-0 a s koncepcí reaktoru PB-AHTR (pokročilý vysokoteplotní reaktor s kulovým ložem chlazený tekutou solí) pomocí výpočetního kódu MCNPX provést simulace rozložení pole neutronů ve vloženém solném kanálu v aktivní zóně reaktoru LR-0 pomocí výpočetního kódu MCNPX provést simulace rozložení pole neutronů ve vloženém solném kanálu v aktivní zóně reaktoru LR-0 vybrat materiály a umístění aktivačních detektorů pro měření rozložení neutronového pole podél solného kanálu vybrat materiály a umístění aktivačních detektorů pro měření rozložení neutronového pole podél solného kanálu provést simulace produkce radioizotopů pro vybrané typy materiálů aktivačních detektorů provést simulace produkce radioizotopů pro vybrané typy materiálů aktivačních detektorů provést simulace rozložení pole neutronů v bloku palivových kanálů reaktoru PB-AHTR provést simulace rozložení pole neutronů v bloku palivových kanálů reaktoru PB-AHTR

3 Reaktory AHTR a MSR Požadavky kladené na tekuté soli týkající se jejich složení a vlastností se liší podle způsobu jejich aplikace Požadavky kladené na tekuté soli týkající se jejich složení a vlastností se liší podle způsobu jejich aplikace Reaktor MSR (Molten Salt Reactor) používá v primárním okruhu tekuté soli obsahující štěpný, případně i množivý materiál, který slouží zároveň jako palivo i chladivo Reaktor MSR (Molten Salt Reactor) používá v primárním okruhu tekuté soli obsahující štěpný, případně i množivý materiál, který slouží zároveň jako palivo i chladivo Reaktor AHTR (Advanced High-Temperature Reactor) používá vysokoteplotní palivo v grafitové matrici, podobně jako reaktory chlazené heliem, ale chlazení je zajištěno roztavenou fluoridovou solí o vysoké teplotě bez obsahu štěpitelného materiálu Reaktor AHTR (Advanced High-Temperature Reactor) používá vysokoteplotní palivo v grafitové matrici, podobně jako reaktory chlazené heliem, ale chlazení je zajištěno roztavenou fluoridovou solí o vysoké teplotě bez obsahu štěpitelného materiálu Reaktor PB-AHTR (Pebble Bed Advanced High-Temperature Reactor) modulární nebo integrální konstrukce používá vysokoteplotní palivo ve formě grafitových koulí naplněných potahovanými palivovými částicemi TRISO ( TRistructural ISOtropic particle) Reaktor PB-AHTR (Pebble Bed Advanced High-Temperature Reactor) modulární nebo integrální konstrukce používá vysokoteplotní palivo ve formě grafitových koulí naplněných potahovanými palivovými částicemi TRISO ( TRistructural ISOtropic particle)

4 Program EROS EROS = Experimental zeRO power Salt reactor SR-0 EROS = Experimental zeRO power Salt reactor SR-0 Program slouží k experimentálnímu ověření vložných zón demonstrační jednotky typu MSR v reaktoru LR-0 Program slouží k experimentálnímu ověření vložných zón demonstrační jednotky typu MSR v reaktoru LR-0 V rámci projektu SPHINX bylo v ÚJV Řež, a.s. provedeno 5 experimentů s moduly označenými EROS 1 až EROS 5 vloženými do aktivní zóny reaktoru LR-0 V rámci projektu SPHINX bylo v ÚJV Řež, a.s. provedeno 5 experimentů s moduly označenými EROS 1 až EROS 5 vloženými do aktivní zóny reaktoru LR-0 Moduly se lišily počtem a konfigurací jednotlivých bloků, množstvím soli a grafitu obsažených v aktivní zóně a počtem a obohacením palivových článků Moduly se lišily počtem a konfigurací jednotlivých bloků, množstvím soli a grafitu obsažených v aktivní zóně a počtem a obohacením palivových článků Rozložení hustoty toku a spektrum neutronů v hnací zóně a v solných kanálech bylo zkoumáno pomocí 3 metod: aktivační metody, gama skenovací metody palivových tyčí a termoluminiscenčních detektorů Rozložení hustoty toku a spektrum neutronů v hnací zóně a v solných kanálech bylo zkoumáno pomocí 3 metod: aktivační metody, gama skenovací metody palivových tyčí a termoluminiscenčních detektorů

5 Simulace solného kanálu pomocí MCNPX Simulované uspořádání se nejvíce podobá experimentu EROS 2 Simulované uspořádání se nejvíce podobá experimentu EROS 2 Solný kanál o výšce 600 mm obklopený 6 zkrácenými palivovými soubory VVER-1000 s obohacením 4,4 % 235 U Solný kanál o výšce 600 mm obklopený 6 zkrácenými palivovými soubory VVER-1000 s obohacením 4,4 % 235 U Solný kanál je tvořen 7 sekcemi vyrobenými z hliníku Solný kanál je tvořen 7 sekcemi vyrobenými z hliníku Jednotlivé sekce byly vyplněny směsí solí LiF-NaF o složení molárních % a poté směsí solí LiF-BeF 2 o složení molárních % Jednotlivé sekce byly vyplněny směsí solí LiF-NaF o složení molárních % a poté směsí solí LiF-BeF 2 o složení molárních % Sůl LiF má přírodní složení 92,5 % 7 Li, 7,5 % 6 Li, nebo se jedná o sůl 7 LiF obohacenou izotopem 7 Li na 99,995 % v případě LiF-NaF i LiF-BeF 2 Sůl LiF má přírodní složení 92,5 % 7 Li, 7,5 % 6 Li, nebo se jedná o sůl 7 LiF obohacenou izotopem 7 Li na 99,995 % v případě LiF-NaF i LiF-BeF 2 24 měřících kanálů s 8 vloženými sondami po průměru solného kanálu 24 měřících kanálů s 8 vloženými sondami po průměru solného kanálu Experimentální hliníkové sondy se 3 pozicemi pro aktivační fólie ve třech různých výškách nad dnem solného kanálu Experimentální hliníkové sondy se 3 pozicemi pro aktivační fólie ve třech různých výškách nad dnem solného kanálu Do experimentálních sond jsou vložené aktivační fólie z vybraných aktivačních materiálů Do experimentálních sond jsou vložené aktivační fólie z vybraných aktivačních materiálů

6 Simulace solného kanálu pomocí MCNPX Solný kanál obklopený palivovými soubory – horizontální a vertikální řez uspořádáním

7 Výsledky simulací (1/10) síťové tally (1/4) solný kanál s náplní nat LiF-NaF – horizontální řez 10 keV – 100 keV 100 keV – 1 MeV 1 MeV – 20 MeV 0 – 0,5 eV0,5 eV – 1 keV1 keV – 10 keV +60 cm-60 cm +60 cm cm +60 cm cm +60 cm cm +60 cm cm +60 cm cm +60 cm 0 0

8 Výsledky simulací (2/10) síťové tally (2/4) solný kanál s náplní 7 LiF-NaF – horizontální řez 0 – 0,5 eV0,5 eV – 1 keV1 keV – 10 keV 10 keV – 100 keV 100 keV – 1 MeV 1 MeV – 20 MeV +60 cm-60 cm +60 cm cm +60 cm cm +60 cm cm +60 cm cm +60 cm cm +60 cm 0 0

9 Výsledky simulací (3/10) síťové tally (3/4) solný kanál s náplní nat LiF-NaF – vertikální řez 10 keV – 100 keV 100 keV – 1 MeV 1 MeV – 20 MeV 0 – 0,5 eV0,5 eV – 1 keV1 keV – 10 keV +60 cm-60 cm +80 cm cm-60 cm +80 cm cm-60 cm +80 cm cm-60 cm +80 cm cm-60 cm +80 cm cm-60 cm +80 cm

10 Výsledky simulací (4/10) síťové tally (4/4) solný kanál s náplní 7 LiF-NaF – vertikální řez 0 – 0,5 eV0,5 eV – 1 keV1 keV – 10 keV 10 keV – 100 keV 100 keV – 1 MeV 1 MeV – 20 MeV +60 cm-60 cm +80 cm cm-60 cm +80 cm cm-60 cm +80 cm cm-60 cm +80 cm cm-60 cm +80 cm cm-60 cm +80 cm

11 Výsledky simulací (5/10) spektra neutronů (1/2) solný kanál s náplní nat LiF-NaF - aktivační fólie v prostředních pozicích hliníkových sond v experimentálních kanálech kanál 1 kanál 3 kanál 2 kanál 4

12 kanál 5 kanál 7 kanál 6 kanál 8 Výsledky simulací (6/10) spektra neutronů (2/2) solný kanál s náplní 7 LiF-NaF - aktivační fólie v prostředních pozicích hliníkových sond v experimentálních kanálech

13 Aktivační detektory Aktivační materiál Reakce Relativní zastoupení v přírodní směsi [%] Poločas přeměny produktu T 1/2 Energie hlavní gama linky Eγ [keV] Relativní intenzita hlavní gama linky Iγ [%] Práh reakce [MeV] 197 Au 197 Au(n,γ) 198 Au1002,69517 dne411,896– 115 In 115 In(n,γ) 116m In95,754,29 min1293,684,4– 115 In 115 In(n,n‘) 115m In95,74,486 hod336,245,80,5 55 Mn 55 Mn(n,γ) 56 Mn1002,5785 hod846,898,9– 58 Ni 58 Ni(n,p) 58 Co68,170,86 dne810,8991,0 27 Al 27 Al(n,α) 24 Na10014,9590 hod1368,61005,5 27 Al 27 Al(n,p) 27 Mg1009,458 min843,771,81,9 63 Cu 63 Cu(n,γ) 64 Cu69,212,700 hod1345,80,47– 98 Mo 98 Mo(n,γ) 99 Mo24,165,94 hod140,589,4– 186 W 186 W(n,γ) 187 W28,623,72 hod685,827,3– 56 Fe 56 Fe(n,p) 56 Mn91,72,5785 hod846,898,95,0 164 Dy 164 Dy(n,γ) 165 Dy28,22,334 hod94,73,58– 175 Lu 175 Lu(n,γ) 176m Lu97,43,635 hod88,38,9– 139 La 139 La(n,γ) 140 La99,91,6781 dne1596,295,4– 89 Y 89 Y(n,γ) 90m Y1003,19 hod202,597,3– 51 V 51 V(n,γ) 52 V99,83,743 min1434,1100– 45 Sc 45 Sc(n,γ) 46 Sc10083,79 dne1120,599,99– 37 Cl 37 Cl(n,γ) 38 Cl24,237,24 min2167,442,4–

14 horní pozicedolní pozice střední pozicestřední pozice relativně Výsledky simulací (7/10) výtěžky reakcí na aktivačních materiálech v nat LiF-NaF – (n,g) reakce

15 horní pozicedolní pozice střední pozicestřední pozice relativně Výsledky simulací (8/10) výtěžky reakcí na aktivačních materiálech v nat LiF-NaF – (n,p) reakce 56Mn ×50

16 horní pozicedolní pozice střední pozicestřední pozice relativně Výsledky simulací (9/10) výtěžky reakcí na aktivačních materiálech v 7 LiF-NaF – (n,g) reakce

17 horní pozicedolní pozice střední pozicestřední pozice relativně Výsledky simulací (10/10) výtěžky reakcí na aktivačních materiálech v 7 LiF-NaF – (n,p) reakce 56Mn ×50

18 Simulace souboru palivových kanálů modulárního reaktoru PB-AHTR pomocí MCNPX Simulované uspořádání je podobné experimentu provedenému v rámci projektu EROS Simulované uspořádání je podobné experimentu provedenému v rámci projektu EROS V programu MCNPX byl modelován soubor palivových kanálů (PCA) o výšce 220 cm obklopený radiálním grafitovým reflektorem s přilehlými částmi dolního a horního pléna V programu MCNPX byl modelován soubor palivových kanálů (PCA) o výšce 220 cm obklopený radiálním grafitovým reflektorem s přilehlými částmi dolního a horního pléna PCA obsahuje 19 palivových kanálů o průměru 19,8 cm vyplněných palivovými koulemi rozmístěnými ve sloupcích nad sebou a plovoucími v soli LiF-BeF 2 obohacené izotopem 7 Li PCA obsahuje 19 palivových kanálů o průměru 19,8 cm vyplněných palivovými koulemi rozmístěnými ve sloupcích nad sebou a plovoucími v soli LiF-BeF 2 obohacené izotopem 7 Li Pro srovnání byl modul naplněn také solí LiF-NaF použitou v testovacím souboru v projektu EROS Pro srovnání byl modul naplněn také solí LiF-NaF použitou v testovacím souboru v projektu EROS Palivové koule mají vnější průměr 3 cm a skládají se ze 3 vrstev: uhlíkového vnitřního jádra, vnějšího obalu z grafitu jaderné kvality a prstencové mezivrstvy paliva ve formě UCO s obohacením 10 % homogenně rozptýleného v grafitové matrici Palivové koule mají vnější průměr 3 cm a skládají se ze 3 vrstev: uhlíkového vnitřního jádra, vnějšího obalu z grafitu jaderné kvality a prstencové mezivrstvy paliva ve formě UCO s obohacením 10 % homogenně rozptýleného v grafitové matrici

19 Simulace modulu PB-AHTR pomocí MCNPX Horizontální a vertikální řez souborem palivových kanálů (PCA) modulárního reaktoru PB-AHTR

20 Výsledky simulací modulu PB-AHTR (1/3) síťové tally (1/3) soubor palivových kanálů s náplní 7 LiF-BeF 2 – vertikální řez 10 keV – 100 keV 100 keV – 1 MeV 1 MeV – 20 MeV 0 – 0,5 eV0,5 eV – 1 keV1 keV – 10 keV +60 cm-60 cm cm-60 cm cm-60 cm cm-60 cm cm-60 cm cm-60 cm

21 Výsledky simulací modulu PB-AHTR (2/3) síťové tally (2/3) soubor palivových kanálů s náplní 7 LiF-BeF 2 – horizontální řez 0 – 0,5 eV0,5 eV – 1 keV1 keV – 10 keV 10 keV – 100 keV 100 keV – 1 MeV 1 MeV – 20 MeV +60 cm-60 cm +60 cm cm +60 cm cm +60 cm cm +60 cm cm +60 cm cm +60 cm 0 0

22 Výsledky simulací modulu PB-AHTR (3/3) síťové tally (3/3) soubor palivových kanálů s náplní nat LiF-NaF – horizontální řez 0 – 0,5 eV0,5 eV – 1 keV1 keV – 10 keV 10 keV – 100 keV 100 keV – 1 MeV 1 MeV – 20 MeV +60 cm-60 cm +60 cm cm +60 cm cm +60 cm cm +60 cm cm +60 cm cm +60 cm 0 0

23 Shrnutí vypracoval jsem rešerši stavu výzkumu tekutých solí jako nosiče tepla a paliva v jaderných reaktorech vypracoval jsem rešerši stavu výzkumu tekutých solí jako nosiče tepla a paliva v jaderných reaktorech seznámil jsem se s projektem studia vložného solného kanálu na reaktoru LR-0 v experimentálních programech EROS uskutečněných v rámci projektu SPHINX a s koncepcí reaktoru PB-AHTR seznámil jsem se s projektem studia vložného solného kanálu na reaktoru LR-0 v experimentálních programech EROS uskutečněných v rámci projektu SPHINX a s koncepcí reaktoru PB-AHTR vybral jsem materiály a umístění aktivačních detektorů pro měření rozložení neutronového pole podél solného kanálu vybral jsem materiály a umístění aktivačních detektorů pro měření rozložení neutronového pole podél solného kanálu pomocí výpočetního kódu MCNPX jsem provedl simulace rozložení neutronového pole ve vloženém solném kanálu v aktivní zóně reaktoru LR-0 a spekter neutronů a výtěžků vybraných reakcí v místě aktivačních detektorů a navrhl jsem plán měření pomocí výpočetního kódu MCNPX jsem provedl simulace rozložení neutronového pole ve vloženém solném kanálu v aktivní zóně reaktoru LR-0 a spekter neutronů a výtěžků vybraných reakcí v místě aktivačních detektorů a navrhl jsem plán měření provedl jsem simulace rozložení pole neutronů v bloku palivových kanálů modulárního reaktoru PB-AHTR provedl jsem simulace rozložení pole neutronů v bloku palivových kanálů modulárního reaktoru PB-AHTR

24 Děkuji za pozornost