düşük zenginlikli u233 yakıtlı enerji yükselteci`nin kritiklik güvenliği
Transkript
düşük zenginlikli u233 yakıtlı enerji yükselteci`nin kritiklik güvenliği
I. ULUSAL PARÇACIK HIZLANDIRICILARI ve UYGULAMALARI KONGRESi 25-26 EKiM 2001, TAEK, ANKARA DÜŞÜK ZENGİNLİKLİ U233 YAKITLI ENERJİ YÜKSELTECİ’NİN KRİTİKLİK GÜVENLİĞİ AÇISINDAN İNCELENMESİ Ediz TANKER Türkiye Atom Enerjisi Kurumu ÖZET Enerji Yükselteci’nin orijinal tasarımındaki yaklaşık %10 oranında U233O2 içeren ThO2 yakıtı ile U içindeki U233 oranı %20’nin altında olan UO2-ThO2 yakıtı 5 yıl süreli yanma boyunca kritiklik ve bölünebilir çekirdek içeriği açısından karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. SCALE 4.4a bilgisayar program sisteminin kullanıldığı hesaplamalarda kritikliğin ve U233 oranının en yüksek değerinin yanmanın başlangıcında olduğu, Pa233’ün tamamen bozunmasının beklendiği durumlarda bile bu değerlerin aşılmadığı gösterilmiştir. Anahtar Kelimeler: Enerji Yükselteci, Toryum, Uranyum 233, Kritiklik Güvenliği GİRİŞ Enerji Yükselteci, bir hızlandırıcıdan elde edilen yüksek enerjili protonların bir kurşun (Pb) hedefe çarparak nötronlar açığa çıkarması ve bu nötronların kritikaltı bir sistemde çekirdek bölünmesi yoluyla çoğaltılması ilkesi ile çalışmaktadır. Orijinal tasarımında yakıt olarak yaklaşık %10 oranında U233O2 içeren ThO2 kullanılmaktadır. Ancak, nükleer silahların yayılmasının önlenmesi ilkelerinden biri barışçıl amaçlı kullanılan hiçbir nükleer maddede bulunan bir elementin içerdiği bölünebilir izotop oranının %20’nin üzerinde olamayacağıdır. Dolayısıyla, Enerji Yükselteci’nin yakıtında yer alan UO2’deki U233 ve U235 toplamının en çok %20 oranında olması ve yanma sürecinin hiçbir aşamasında da bu oranı aşmaması gerekir. Ayrıca, korunak binası olmayan ve sadece acil durum durdurma amacıyla kullanılacak kontrol çubukları bulunduran sistemin sürekli kritikaltı kaldığı da doğrulanmalıdır. Bu çalışmada, ABD nükleer düzenleyici kuruluşu NRC’nin kritiklik güvenliği analizlerinde kullandığı SCALE 4.4a bilgisayar program sistemi kullanılmıştır[1]. Çok gruplu nötron transport denklemini bir boyutta çözen XSDRN ve sabit güçle yanma ve bozunum analizi yapan ORIGEN programlarını temel alan bu program sistemi ile Enerji Yükselteci’nin örnek bir yakıt demetinin birim hücre ve bir boyutlu modelleri analiz edilerek yanma boyunca kritikliği ve bölünebilir madde miktarı hesaplanmıştır. lenmiştir. Yakıt zarfının kalınlığı 0.35 mm’dir[2]. Zarf ve demet kılıfı malzemesi olarak SCALE’de tanımlı olan SS316 paslanmaz çelik kullanılmıştır. Yakıt, zarf, soğutucu (Pb) ile demet kılıfı ve demetler arasındaki kurşunun sıcaklıkları sırasıyla 1200, 950, 800 ve 670 K’dir. Orijinal ve “seyreltilmiş”1 yakıtlar için çekirdek yoğunlukları Tablo 1’de verilmiştir. Pb ve SS316 için SCALE’de tanımlı standart yoğunluklar kullanılmıştır. Tablodan da görüldüğü gibi her iki yakıt da yaklaşık aynı miktarda U233 içermekte2, ancak orijinal yakıtta U233/(Th232 + U233) oranı %10.6 iken seyreltilmiş yakıtta U233/(U238 + Th232 + U233) oranı %9 olmaktadır. Yanma Süreci ve Akıbüküm SCALE yakıt demeti yanma analizi dizisinde yakıt birim hücresi önce sonsuz örgüde homojenleştirilmekte, daha sonra demeti oluşturan diğer malzemeler eklenerek bu kez tüm demetin sonsuz bir örgüde yer aldığı varsayımıyla bütün demet homojenleştirilmektedir. Sonuçta elde edilen malzeme verilen güç ve sürede yakılarak yanma adımı sonundaki çekirdek yoğunlukları hesaplanmakta ve bu işlemler dizisi her yanma adımı için tekrarlanmaktadır. Burada incelenen örnek demetteki yakıt çubuğu sayısı 397 ve tasarım boyu 1500 mm’dir. Enerji Yükselteci’nde yakıt demetlerinin yerleşimi de dikkate alınarak akıbüküm değeri için yakıt boyu 1220 mm seçilmiştir. Böylelikle kritiklik için hesaplanan değer bir üst MODELLEME Örnek yakıt demeti Resim 1’de gösterilmiştir. Yakıt lokumları 7.30 mm çapında silindirler olup eksenleri boyunca 1.1 mm çapında bir delik bulunmaktadır. Bu lokumlar 7.22 mm çapında katı silindirle model- 1 Düşük zenginlikli: U233/(U238 + U233) oranı %19.8 alınmış, kolaylık açısından yakıtta U235 bulunmadığı varsayılmıştır. 2 Her iki yakıt da başlangıçta aynı kritiklik değerini vermektedir. sınır olmaktadır. Her iki yakıt için de başlangıç kritiklik değeri k∞ = 0.994 alınmıştır. Akının Enerji Dağılımı Enerji Yükselteci kritikaltı bir sistem olup proton demetiyle beslenen sabit nötron kaynağından gelen nötronları çoğaltmaktadır. Bu nötronların enerji dağılımı 20 MeV’un çok üstünde olduğundan SCALE ile hesaplanamamaktadır. Ancak, yakıt demeti içindeki nötron dağılımının kritik akı dağılımından farklı olmadığı Şekil 1’de görülmektedir. Burada, sadece en yüksek enerji grubunda çıkan nötronlardan oluşan bir kaynağın varlığında bunun akı dağılımına yansımadığı, dağılımın kaynaksız-kritik dağılımla aynı olduğu görülmektedir3. Bunun nedeni, yakıt çubuklarının birbirlerini etkin bir şekilde gölgelemesi (birim hücrenin hesaplanan Dancoff çarpanı 0.7 dolayındadır) ve kaynağın nötron dağılımının yakıt içine çok az girebilmesidir. Bu çalışmada yakıt demeti nötron kaynaksız olarak modellenmiştir. HESAPLAMALAR Her iki yakıt da 55 kW/kg özgül güç4 ile 5 yıl süreli yakılmıştır. Yanma süresine karşı kritiklik (k∞) değerleri Şekil 2’de gösterilmektedir. Pa233 değeri doyuma varıncaya kadar çeşitli zamanlarda yakıtın bekletilmesi5 durumunda U233 miktarındaki artışın sonucunda artan k∞ değerleri de yine aynı Şekil’de yer almaktadır. Görülmektedir ki k∞ hiçbir zaman başlangıçtaki değerini geçmemektedir. Dolayısıyla başlangıçta kritikaltı olan sistem her zaman kritikaltı kalmaktadır. Ayrıca, seyreltilmiş yakıtın k∞ değerleri orijinal yakıttan daha büyüktür; böylelikle yanma boyunca reaktivite değişimi daha az olmaktadır. k∞ değerinin en yüksek olduğu, Pa233’ün bozunması beklense bile bu değerin aşılmadığı, dolayısıyla kritiklik güvenliğinin bozulmadığı görülmüştür. Uranyum zenginliği ise, yanmanın herhangi bir anında Pa233’ün tamamen bozunması beklendiği durumdaki değer olarak alındığında, başlangıçtaki %19.8 değerinden gittikçe azalarak Pa233’ün doyuma vardığı zamanda (~270 gün) %19.1 değerinden geçerek 5 yılın sonunda %16.6’ya düşmektedir. Öte yandan, bu yakıtta Pu240 oranı çok düşük (%12) olan Pu üremektedir (5 yılın sonunda Pu239/U233 oranı %40) ve bu plutonyumun yanmış yakıttan kimyasal yolla ayrılmaması gereklidir. TABLOLAR Sayısal Yoğunluk (×1024 cm-3) Çekirdek Th232 O 16 U233 U Orijinal Yakıt Seyreltilmiş Yakıt .0206 .012925 .0456 .047232 .00219 .0021395 238 — .0084838 Tablo 1 Çekirdek Yoğunlukları RESİMLER Önemli çekirdeklerin miktarlarındaki değişimin sunulduğu Şekil 3’den şu sonuçlar çıkarılabilir: Seyreltilmiş yakıtta a) U233 daha hızlı azalmaktadır; b) Pa233 daha az oluşmaktadır; c) oluşan Pu239 5 yıllık yanma süresi sonunda henüz doyuma varmamaktadır. SONUÇ Enerji Yükselteci’nin orijinal yakıtı ve U233’ce ~%20 zenginlikli uranyum içeren yakıtı için başlangıçtaki 3 Şekilde Geçiş 0 ile gösterilen, kritik spektrumla homojenleştirilmiş birim hücrede sabit kaynak altında oluşan akı dağılımı, Geçiş 1 ile gösterilen de, bu akı dağılımıyla homojenleştirilmiş birim hücrede sabit kaynak altında oluşan akı dağılımıdır. Her iki yakıtta da bu dağılımlar birbirine çok yakındır. 4 5 Başlangıçtaki toplam U ve Th kütlesine göredir. Yakıt, Pa233’ün yarılanma süresinin on katı kadar olan 270 gün boyunca bekletilmiştir. Bu durumda başlangıçta var olan miktarın binde birinden azı kalmaktadır. Resim 1 Örnek Yakıt Demeti[2] ŞEKİLLER Şekil 1 Yakıtlarda Akı Dağılımı Şekil 2 k∞'un Yanma Süresiyle Değişimi Şekil 3 Önemli Çekirdeklerin Yanma Süresiyle Değişimi a=Orijinal Yakıt, b=Seyreltilmiş Yakıt KAYNAKÇA [1] SCALE: A Modular Code System for Performing Standardized Computer Analyses for Licensing Evaluation, NUREG/CR-0200, Rev. 6 (ORNL/NUREG/CSD-2/V2/R6), 2000. [2] Rubbia, C., et. al., Conceptual Design of a Fast Neutron Operated High Power Energy Amplifier, CERN/AT/95-44(AT), 1995.