Изменения изотопного состава топливной сборки гибридного реактора с источником нейтронов на основе D-D-реакции в плазменном столбе (компьютерное моделирование длительного рабочего цикла)

Для изучения нейтронно-физических характеристик ториево-плутониевого топлива ранее нами была предложена установка, состоящая из подкритической сборки высокотемпературного ядерного реактора и источника дополнительных нейтронов в виде плазменного столба, пронизывающего эту сборку. Дополнительные нейтроны генерируются в результате реакции D-D-синтеза в этом столбе высокотемпературной плазмы, которая создается и удерживается в длинной магнитной ловушке. В статье представлены результаты компьютерного моделирования эволюции ядерного топлива в предложенной установке. Моделирование проводилось для параметров плазмы, при которых реакция D-D-синтеза дает суммарный выход N = 2 · 10¹⁶ нейтронов в секунду из плазменного столба внутри подкритической сборки длиной 3 м. Рассмотрены два варианта работы топливной сборки, отличающиеся содержанием плутония в исходном ториево-плутониевом топливе. В первом варианте исходная доля плутония составляет 4 %, что обеспечивает подкритическое состояние топливной сборки с эффективным коэффициентом размножения нейтронов k ef = 0,95. Во втором варианте доля плутония повышена до 5 %, что позволяет иметь рабочее состояние сборки с k ef = 0,99. Выбор таких величин процентного содержания плутония был сделан по результатам детального компьютерного моделирования основных нейтронно-физических процессов в активной зоне реактора. Эволюция изотопного состава топлива рассчитывалась за все время эксплуатации сборки - 3 000 дней. В процессе «горения» топлива при неизменном суммарном выходе нейтронов из плазменного столба было обнаружено уменьшение коэффициента размножения нейтронов и мощности процесса ядерного деления в активной зоне реактора с течением времени от начала рабочего цикла. Для компенсации этого снижения мощности установки рассчитано необходимое увеличение выхода нейтронов от плазменного источника. В статье приведены результаты моделирования и обсуждаются различные аспекты полученных решений.

ториевая подкритическая сборка, источник термоядерных нейтронов, открытая магнитная ловушка, эволюция топливных компонентов

1. Shamanin I., Bedenko S. et al. Gas-Cooled Thorium Reactor with Fuel Block of the Unified Design. Advances in Materials Science and Engineering, 2015, vol. 1084, p. 275-279.

2. Arzhannikov A. V., Anikeev A. V., Beklemishev A. D. et al. Gas-dynamic trap with Q ~ 0.1 as a driver for hybrid thorium reactor. In: Conference Program of the OS2014. OS5-04.URL: www.os2014.org

3. Arzhannikov A. V., Anikeev A. B., Beklemishev A. D. et al. Subcritical Assembly with Thermonuclear Neutron Source as Device for Studies of Neutron-physical Characteristics of Thorium Fuel. In: AIP Conference Proceedings, 2016, vol. 1771, p. 090004. DOI 10.1063/ 1.4964246

4. Moir R. W., Martovetsky N. N., Molvik A. W., Ryutov D. D., Simonen T. C. Axisymmetric Magnetic Mirror Fusion-Fission Hybrid. In: 15th International Conference on Emerging Nuclear Energy Systems ICENES 2011 May 15-19, 2011. San Francisco, Transactions of Fusion Science and Technology, 2012, January, vol. 61, p. 206-215.

5. Moir R. W., Martovetsky N. N., Molvik A. W., Ryutov D. D., Simonen T. C. Mirror-based hybrids of recent design. In: FUNFI, Workshop on Fusion for Neutrons and Sub-critical Nuclear Fission, Villa Monastero, Varenna, Italy, September 12-15, 2011. AIP Conference Proceedings, 2012, vol. 1442, p. 43-54.

6. Simonen T. C., Moir R. W., Molvik A. W., Ryutov D. D. A 14MeV fusion neutron source for material and blanket development and fission fuel production. Nucl. Fusion, 2013, no. 53.

7. Beklemishev A., Anikeev A., Astrelin V. et al. Novosibirsk Project of Gas-Dynamic Multiple-Mirror Trap. Fusion Science and Technology, 2013, vol. 63, no. 1T, p. 46-51. DOI 10.13182/FST13-A16872

8. Юров Д. В., Приходько В. В., Цидулко Ю. А. Нестационарная модель для описания осесимметричной открытой ловушки с неравновесной плазмой // Физика плазмы. 2016. Т. 42, № 3. С. 217-233.

9. Oleynik D. S., Shkarovskiy D. A., Gomin E. A. et al. The status of MCU-5. Physics of Atomic Nuclei, 2012, no. 75, p. 1634-1646.

10. Зацепин О. В., Кандиев Я. З., Кашаева Е. А., Малышкин Г. Н., Модестов Д. Г. Расчеты методом Монте-Карло по программе ПРИЗМА нейтронно-физических характеристик активной зоны ВВЭР-1000 // ВАНТ. Серия: Физика ядерных реакторов. 2011. Вып. 4. С. 64-74.

11. Модестов Д. Г. Компьютерная программа РИСК-2014 для решения задач ядерной кинетики. Препринт РФЯЦ - ВНИИТФ. Снежинск, 2014. № 243.