CONJUNTO SUBCRÍTICO ACOPLADO COM ACELERADOR (ADS) PARA TRANSMUTAÇÃO DE REJEITOS NUCLEARES: UMA ABORDAGEM DE MODELAGEM COMPUTACIONAL

Mirta B Torres Berdeguez

UESC

CONJUNTO SUBCRÍTICO ACOPLADO COM

ACELERADOR (ADS) PARA TRANSMUTAÇÃO DE

REJEITOS NUCLEARES: UMA ABORDAGEM DE

MODELAGEM COMPUTACIONAL

IX Latin American IRPA Regional Congress on Radiation Protection and Safety - IRPA 2013 Rio de Janeiro, RJ, Brazil, April 15-19, 2013

Introdução

Justificativa

Objetivos da pesquisa

Estado da arte e fenômenos físicos

O sistema ADS

Os fenômenos de spallation e transmutação

Materiais e métodos

Caracterização do alvo de spallation

Modelagem probabilística de um ADS do tipo leito de bolas.

Resultados

Conclusões e trabalhos futuros

Introdução

“calcanhar de Aquiles”

da energia nuclear

ADS

Produzir nuclídeos mais

estáveis e menos

radio-tóxicos.

TRANSMUTAÇÃO

1914

Spallation

Projétil

Cascata Intranuclear

nêutrons

Evaporação

Projétil Núcleo Núcleons Nêutrons Prótons

Transmutação

Exemplos de transmutação β υ β α α β υ β Decaimento estável Ru Tc Captura s Tc anos Tc MeV n días Zr estável Ce Pu n Decaimento anos Pu Cm Decaimento anos Cm Am Captura horas Am anos Am MeV n horas Rh estável Xe Pu n Captura anos Pu anos Pu n ⇔ + + → ⇔ → + ⇔ + + + → + ⇔ + → ⇔ + + → ⇔ → + ⇔ + + + → + ⇔ → + − − ) ( ) 8 . 15 ( ) 211000 ( n Fissão 200 2 ) 64 ( ) ( ) 88 ( ) 163 ( ) 16 ( ) 432 ( n Fissão 200 3 ) 35 ( ) ( ) 14 ( ) 6600 ( 100 100 100 99 95 142 238 238 242 242 242 242 241 105 134 241 241 239 e(g)- Sv/Bq Radiotoxicidade

Fissão

−

⇔

→

+

n

Y

Captura

X

A _z A z T1/2

Modelar uma geometria ADS de pequeno porte composta por

combustível TRISO carregado com uma mistura de MOX de

urânio e tório para material alvo de spallation de urânio,

utilizando métodos de modelagem computacional probabilística,

em particular o programa MCNPX 2.6E.

•

Caracterização do alvo de spallation em função da energia do

feixe de prótons incidente e as dimensões do alvo.

•

Modelagem probabilística de um dispositivo ADS do tipo

leito de bolas, visando avaliar as características físicas do disp

ositivo e sua capacidade de transmutação.

Materiais e métodos

Caracterização do alvo de spallation de U

• Estudo de otimização das dimensões do alvo de spallation (espessura e raio);

• Obtenção do espectro de nêutron no alvo de spallation;

• Avaliação da producão de nêutrons (Pn/P) por próton incidente em função da energia do feixe incidente de prótons;

• Por último, visando avaliar a eficiência energética do alvo de spallation, foi estudado o comportamento da produção de nêutrons por unidade de energia do próton incidente.

R= 15 cm δ= 5 até 80 cm Ep 300, 600 e 1000 MeV

MCNPX tally F1

Espessura ótima do alvo de spallation

Dependendo do raio

9, 12 e 15 cm

Espectros de nêutrons e custo do nêutrons

R-15 cm, δ-20 cm 1000 MeV

Materiais e métodos

Modelagem de um ADS do tipo leito de bolas

• Distribuição do fluxo de nêutron no

núcleo do reator;

• Variação da potência térmica no

núcleo do dispositivo;

• Variação

do

coeficiente

de

multiplicação efetivo do núcleo

subcrítico;

• Variação da composição isotópica

do

combustível

do

núcleo.

Especificamente, a avaliação das

concentrações

de

actinídeos

menores e isótopos de plutônio.

U R-15 cm

δ-20

Cálculo de Potência- Tally F7 (1,64E+4) (MeV/g), Cálculo K_eff-KCODE, Cálculo de fluxo

nêutrons-Tally F4 (0,62E+17) (# /cm2_),

Transmutação- BURN TIME

238_U, 232_Th, 235_U, 233_U, 242_Pu, 241_Pu, 240_Pu, 239_Pu, 238_{Pu e os MA,} 244_Cm, 242_Cm, 243_Am, 241_{Am e} 237_Np.

Resultados

Caracterização

(Pn/P) vs Espessura Ep 300, 600 e 1000 MeV 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 5 10 15 20 25 30 35 40

U

Pn /P Espessura (cm)

Ep1000MeV Ep600MeV Ep300MeV

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 15 20 25 30 35 40

U

P n/ P Espessura (cm) R15cm R12cm R9cm (Pn/P) vs Raio Ep 1000 MeV 40 cm 5 10 15 20 25 30 35 28 30 32 34 36 38 40

U

P n/ P Raio (cm) 12 cm

Resultados

Caracterização

1E-3 0,01 0,1 1 10 100 1000 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 Fl ux o no rm al iz ad o de n êu tr on s Energia (MeV) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 10 20 30 40 50 60 Energia (MeV) P n/ P 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 C us to d o n êu tro n

Espectro normalizado de nêutrons _{(Pn/P) e custo do nêutron vs Ep}

Resultados

Modelagem ADS do tipo leito de bolas

0 50 100 150 200 250 300 350 1,15E+015 1,20E+015 1,25E+015 1,30E+015 1,35E+015 1,40E+015

1,45E+015 _{Fluxo de nêutrons}

Potência Tempo (dias) F lu xo d e nê ut ro ns ( n/ cm 2 s) 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 Po tê nc ia (M W )

Fluxo de nêutrons e potência em função vs tem po para uma campanha do reator de 365 dias

0 50 100 150 200 250 300 350 400 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 k eff Tempo (dias)

k

_eff

Resultados

Modelagem ADS do tipo leito de bolas

Evolução temporal dos isótopos de plutônio 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

U

M as sa ( g) Tempo (Dias)

Pu239 Pu240 Pu241 Pu242

Evolução temporal dos actinídeos menores 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0,01 0,1 1 10

U

M as sa ( g) Tempo (Dias) Cm244 Cm242 Np237 Am243 Am241

Conclusões

Neste trabalho, se caracterizou o alvo de spallation de urânio em função da energia

do feixe de prótons incidente e as dimensões do alvo, e se realizou a modelagem

probabilística de um dispositivo ADS do tipo leito de bolas, visando avaliar as

características físicas do dispositivo e sua capacidade de transmutação.

• A produção de nêutrons por próton incidente aumenta com o incremento das dimensões do alvo de spallation (espessura e raio), até que é alcançada a máxima produção de nêutrons por próton incidente ou a chamada região de saturação. Os valores de espessura e raio, para a qual é alcançada a máxima produção de nêutrons determinam as dimensões ótimas do alvo de spallation, as quais foram de 40 cm de espessura por 12 cm de raio para um feixe incidente de prótons de 1000 MeV.

• Com relação ao espectro de nêutrons simulados concluímos que os nêutrons gerados pela reação de spallation têm uma distribuição de energia que varia entre zero e a energia do feixe incidente de prótons, com o valor máximo de fluência de nêutrons de 0,6 MeV.

• A produção de nêutrons induzidos por próton incidente varia proporcionalmente com a energia do feixe incidente de prótons. A determinação do custo de nêutrons revelou que, para energias acima de 1000 MeV, a produção de nêutrons por unidade de energia do feixe incidente de prótons diminui, o que significa um aumento do custo de nêutrons

Conclusões

Os resultados obtidos na modelagem do dispositivo ADS do tipo

leito de bolas, com relação à variação isotópica dos isótopos de

plutônio e os actinídeos menores, considerados na análise,

revelaram que a acumulação da massa dos isótopos de plutônio e

dos actinídeos menores aumenta. No caso particular do isótopo

239

_{Pu, se observa uma diminuição da massa a partir do tempo de}

queima de 99 dias.

Trabalhos futuros

• Estudo de sistemas ADS de alta densidade de potência, acima

de 100 MW, com material alvo de chumbo e tungstênio;

• Estudo de outras geometrias do núcleo subcrítico, composições

diferentes de material combustível, material refletor e tipo de

refrigerante;

• Estudo dos parâmetros macroscópicos no núcleo subcrítico, a

partir do acoplamento com o cálculo termo hidráulico;

• Análise de sensibilidade do código MCNPX 2.6E, com os

novos modelos físicos diferentes e as bibliotecas de dados

nucleares mais recentes.

Muito