düşük zenginlikli u233 yakıtlı enerji yükselteci`nin kritiklik güvenliği

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.