بررسی نوترونی هدف‌های تلاشی شکافت‌پذیر در سیستم‌های واداشته با شتاب‌دهنده

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

پژوهشکده‌ی رآکتور و ایمنی هسته‌ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی

چکیده

فرایند تلاشی، یکی از مهم­‌ترین روش­‌های تولید نوترون در صنعت، پزشکی و غیره است. هم­چنین از دیگر کاربردهای این فرایند، استفاده از آن در قلب راکتورهای زیربحرانی است. در این پژوهش، با استفاده از کد MCNPX، یک بررسی نوترونی بر روی هدف‌­های تلاشی شکافت­پذیر شامل اورانیم-238 و توریم-232 صورت گرفته است. پارامترهای بهره­‌ی تولید نوترون و انرژی انتقال یافته، شکل هندسی هدف، طیف زاویه‌­ای خروجی نوترون­‌ها، نرخ تولید گاز و طیف جرمی عناصر باقی­‌مانده برای هدف‌­های تلاشی مورد نظر بررسی شده­‌اند. نتایج نشان می­‌دهد که شکل هندسی، در طیف خروجی نوترون بیش‌­ترین تأثیر را داشته است، ولی بر روی طیف اتم­‌های تولیدی اثری ندارد. در انرژی‌­های بالاتر از GeV 1، تعداد نوترون‌­های تولیدی در واحد انرژی به حالت پایدار می­‌رسد و نرخ تغییرات تولید نوترون‌­ها بعد از آن کاهش می‌­یابد. علاوه بر این، هیدروژن عامل اصلی در ایجاد تورم در هدف تلاشی است و حدود 88% از گاز تولیدی را تشکیل می­‌دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Neutronic Investigation of Fissionable Spallation Targets in Accelerator Driven Systems

نویسندگان [English]

  • M Amirkhani
  • M Hassanzadeh
چکیده [English]

Spallation process is the most important neutron generation method in industry, medicine, etc. This process in the subcritical reactor core is also another technique. In this research, we study the neutronic behavior of the spallation targets consisting of U-238 and Th-232 materials, by MCNPX code. The parameters under study comprise the spallation neutron yield, deposition energy, target geometry; angular spectrum of the neutron output, gas rate and residual mass spectrum. The results show that geometry has the greatest impact on the neutron output spectrum, but not on the residual mass spectrum. Numbers of neutrons per energy unit are stable at higher energies of 1 GeV, then the changes in neutron generation rate are reduced. Furthermore, hydrogen which is the principal factor in swelling of spallation target, consists of about %88 of gas production.

کلیدواژه‌ها [English]

  • MCNPX Code
  • Spallation Process
  • Neutronic Parameters
  • U-238 & Th-232 Spallation Targets
[1] S.A.H. Feghhi, Z. Gholamzadeh, C. Tenreiro, Investigation of the optimal material type and dimension for spallation targets using simulation methods, Journal of Theor. Appl. Phys. 8 (2014) 1-11.

 

[2] C.D. Bowman, E.D. Arthur, P.W. Lisowski, G.P. Lawrence, R.J. Jensen, J.L. Anderson, B. Blind, M. Cappielb, J.W. Davidson, T.R. England, L.N. Engel, R.C. Haight, H.G. Hughes III, J.R. Ireland, R.A. Krakowski, R.J. LaBaure, B.C. Letellier, R.T. Perry, W.B. Wilson, Nuclear energy generation and waste transmutation using an accelerator-driven intense thermal neutron source, Nucl. Instr. Meth. A, 320 (1992) 336-367.

 

[3] G. Lawrence, Transmutation and energy production with high power accelerators, Int. Part. Accel. Conf. (1996) Dallas, Tx, USA, USA.

 

[4] F. Carminti, R. Klapisch, J.P. Revol, Ch. Roche, J.A. Rubio, C. Rubbia, An energy amplifier for cleaner and inexhaustible nuclear energy production driven by a particle beam accelerator, European Organisaton for Nuclear Research Cern/AT/93-47 (ET) (1994).

 

[5] T. Mason, T.A Gabriel, R.K. Crawford, K.W. Herwig, F. Klose, J.F. Ankner, 33rd ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High Intensity and High Brightness Hadron Beams, AIP Conference proceedings, Bensheim (2004) 21.

 

[6] S. Maloy, M. James, M. Toloczko, The high temperature tensile properties of ferritic-martensitic and austenitic steels after irradiation in an 800 MeV proton beam, in Conference proceedings seventh information exchange meeting on actinide and fission product partitioning and transmutation (2002).

 

[7] H.A. Abderrahim, J. Galambos, Y. Gohar, S. Henderson, G, Lawrence, T. MCManamy, A.C. Mueller, S. Nagaitsev, J. Nolen, E. Pitcher, R. Rimmer, R.Sheffield, M. Tadosow, Accelerator and target technology for accelerator driven transmutation and energy production, DOE white paper on ADS, Nucl. Instr. Meth. Phys. 1 (2010) 1-23.

[8] S.A.H. Feghhi, Z. Gholamzadeh, A MCNP simulation study of neutronic calculations of spallation targets, Nucl. Technol. Radiat. 28 (2013) 128-136.

 

[9] J.M. Carpenter, Pulsed spallation neutron sources for slow neutron scattering, Nucl. Instr. Meth. 145 (1977) 91-113.

 

[10]      G. Bauer, Overview on spallation target design concepts and related materials issues, J. Nucl. Mater. 398 (2010) 19-27.

 

[11]      Y. Kadi, J. Revol, Design of an accelerator-driven system for the destruction of nuclear waste in Lectures given at the Workshop on Hybrid Nuclear Systems for Energy Production, Utilisation of Actinides & Transmutation of Long-Lived Radioactive Waste Trieste (2001).

 

[12]      İ. Demirkol, E. Tel, Multiplicity of particles per primary reaction at 1500MeV for the nuclei used on the accelerator-driven systems, Ann. Nucl. Energy38 (2011) 1078-1083.

 

[13]      A. Morioka, S. Sato, M. Kinno, A. Sakasai, J. Hori, K. Ochiai, M. Yamauchi, T. Nishitani, A. Kaminaga, K. Masaki, S. Sakurai, T. Hayashi, M. Matsukawa, H. Tamai, S. Ishida, Irradiation and penetration tests of boron-doped low activation concrete using 2.45 and 14 MeV neutron sources, J. Nucl. Mater. 329 (2004) 1619-1623.

 

[14] H.W. Bertini,  Low-energy intranuclear cascade calculation, Phys. Rev. 131 (1963) 1801.

 

[15]      Y. Yariv, Z. Fraenkel, Intranuclear cascade calculation of high-energy heavy-ion interactions, Phys. Rev. C. 20 (1979) 2227.

 

[16]      Y. Yariv, Z. Fraenkel, Intranuclear cascade calculation of high energy heavy ion collisions: Effect of interactions between cascade particles, Phys. Rev. C. 24 (1981) 488.

 

[17]      L. Dresner, EVAP--A Fortran Program for Calculating the Evaporation of Various Particles from Excited Compound Nuclei, Oak Ridge National Lab. (1962).

 

[18]      M. Longair, High Energy Astrophysics: Vol. 1, Particles, Photons and Their Detection, Cambridge Univ. Press. (1992).

 

[19]      A. Gandini, M. Salvatores, I. Slessarev, Balance of power in ADS operation and safety, Ann. Nucl. Energy 27 (2000) 71-84.

 

[20]      M. Hassanzadeh, S.A.H. Feghhi, Calculation of the spallation target neutronic parameters in Accelerator Driven Subcritical TRIGA reactor, Ann. Nucl. Energy 85 (2015) 326-330.

 

[21] A. Ahmad, S.J. Steer, G.T. Parks, A preliminary study of target multiplicity for ADSRs, Energ. Convers. Manage. 69 (2013) 181-190.

 

[22]      D.B. Pelowitz, MCNPX 2.6.0 manual, LANL, LA-CP-07-1473, Los Alamos National Laboratory (2008).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[23]      R.E. Prael, H. Lichtenstein, User guide to LCS, the LAHET code system, Group, 10 (1989) 6.

 

[24]      J.F.B. Ed., MCNP – A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 4C, April (2000).

 

[25]      M. Hassanzadeh, S.A.H. Feghhi, Sensitivity analysis of core neutronic parameters in accelerator driven subcritical reactors, Ann. Nucl. Energy 63 (2014) 228-232.

 

[26]      N.I. Tak, H.J. Neitzel, X. Cheng, Computational fluid dynamics analysis of spallation target for experimental accelerator-driven transmutation system,  Nucl. Eng. Des  235 (2005) 761-772.

 

[27]      H. Bethe, The theory of the passage of rapid neutron radiation through matter, Annalen der Physik 5 (1930) 325-400.