обеспечение ядерной и радиационной безопасности...
TRANSCRIPT
![Page 1: обеспечение ядерной и радиационной безопасности космической ядерной энергетической установки на](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022013111/55b64c33bb61eb5a498b46b8/html5/thumbnails/1.jpg)
Государственная
корпорация
«Росатом»Государственная
корпорация
«Росатом»Государственный
научный
центр
РФ
–
Физико-энергетический
институт имени
А.И. Лейпунского
Государственный
научный
центр
РФ
–
Физико-энергетический
институт имени
А.И. Лейпунского
Обеспечение
ядерной
и
радиационной
безопасностикосмической
ядерной
энергетической
установки
на
орбите
И.А. Ехлаков,
П.А. Алексеев
НТС
ГНЦ
РФ-ФЭИОбнинск,
7 февраля
2014 г.
![Page 2: обеспечение ядерной и радиационной безопасности космической ядерной энергетической установки на](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022013111/55b64c33bb61eb5a498b46b8/html5/thumbnails/2.jpg)
Внешний
источник
нейтроновВнешний
источник
нейтронов
Первые
оценки
возможности
запуска
КЯЭУ
без
специального
пускового
источника, проведенные
в
MCNPХ2.6 (ENDF/B-VI)
с
использованием
спектров, рассчитанных
в
программе
AP-8
указали
на
формирование
в
отражателях
и
активной
зоне
РУ
источника
нейтронов, мощностью
3.3·105
н./с. для
орбиты
высотой
1000 м., 6.9·106
н./с. на
высоте
1200 м., 1.7·107
н./с на высоте 1500 м.
Поскольку
такие
потоки
нейтронов
сопоставимы
с
потоками
от
современных
пусковых
источников, возникла
проблема
обеспечения
безопасного
пуска
ядерного
реактора
космического
назначения
в
условиях
воздействия
космического
излучения
на
конструкционные
материалы
РУ.
![Page 3: обеспечение ядерной и радиационной безопасности космической ядерной энергетической установки на](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022013111/55b64c33bb61eb5a498b46b8/html5/thumbnails/3.jpg)
Проверка
полученных
результатов
в GEANT4
Проверка
полученных
результатов
в GEANT4
Набор
физических
моделей
был
выбран
в
соответствии
с
рекомендациями
SLAC (Stanford
Linear
Accelerator
Center, США)
для
контрукционных
материалов
и
электроники, работающих
в
космосе.
Источник
задан
в
соответствии
с
оцифрованными
спектрами
из
научных
статей, рассчитанных
в
программе
CRÈME-96
Геометрия:
![Page 4: обеспечение ядерной и радиационной безопасности космической ядерной энергетической установки на](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022013111/55b64c33bb61eb5a498b46b8/html5/thumbnails/4.jpg)
Итог
проверкиИтог
проверки
Проведенные
расчеты
подтвердили
правильность
оценки
мощности
внешнего
источника
нейтронов
С
точки
зрения
задач
радиационной
защиты
возникает
новый
защищаемый
объект
–
ядерный
реактор
на
начальном
этапе
пуска.
Расчетный
анализ
возможных
мер
пассивной
защиты
с
применением
Al, LiH, B4C показал
неэффективность
такого
подхода
Обеспечение
безопасности
пуска
Создание
методикибезопасного
пуска
реактора
на
орбите
с
учетомвнешнего
потока
нейтронов
Пассивная
защита(дополнительные
экраны,
снижающие
мощностьвнешнего
нейтронного
потока)
![Page 5: обеспечение ядерной и радиационной безопасности космической ядерной энергетической установки на](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022013111/55b64c33bb61eb5a498b46b8/html5/thumbnails/5.jpg)
Модель
радиационных
поясов
Земли использованная
в
дальнейших
расчетах
Модель
радиационных
поясов
Земли использованная
в
дальнейших
расчетах
1,0E+00
1,0E+01
1,0E+02
1,0E+03
1,0E+04
1,0E+05
0,1 1 10 100 1000Е, MeV
Поток,
Про
тон/
(стер.
см
^2 c
)
Спектр
протонов
для
трех
точек
на
орбите
1500 км.
![Page 6: обеспечение ядерной и радиационной безопасности космической ядерной энергетической установки на](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022013111/55b64c33bb61eb5a498b46b8/html5/thumbnails/6.jpg)
Изменение
мощности
реактора
при
движении космического
аппарата
по
орбите
Изменение
мощности
реактора
при
движении космического
аппарата
по
орбите
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
1.00E-03
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Время, сек.
Мощ
ность,
Вт
1.00E-09
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
1.00E-03
1.00E-02
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000Время, сек.
Мощ
ность,
Вт
-
изменение
тепловой
мощностиреактора
-
трасса
полета
космическогоаппарата
1200 км
1500 км
![Page 7: обеспечение ядерной и радиационной безопасности космической ядерной энергетической установки на](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022013111/55b64c33bb61eb5a498b46b8/html5/thumbnails/7.jpg)
Изменение
мощности
реактора
в период
пуска, на
орбите
1500 км.
Изменение
мощности
реактора
в период
пуска, на
орбите
1500 км.
В
обоих
случаях
(время
начала
пуска
t=0 с и t=3000 с) найденные алгоритмы
управления
позволяют
запустить
реактор
и
достичь
мощности
прогрева
за
приемлемое
время.
![Page 8: обеспечение ядерной и радиационной безопасности космической ядерной энергетической установки на](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022013111/55b64c33bb61eb5a498b46b8/html5/thumbnails/8.jpg)
Два
случая
нарушения
принятой
моделиДва
случая
нарушения
принятой
модели
Использованная
модель
не
учитывала
два
типа
редких
во
времени
событий, способных
внести
в
активную
зону
дополнительные
потоки
нейтронов: взаимодействие
реактора
с
тяжелой
заряженной
частицей
и
наложение
солнечной
вспышки
на
начало
пуска
реактора.
В
соответствии
со
спектром
космических
лучей, ТЗЧ
с
энергией
не
менее
1 ТэВ
будут
взаимодействовать
с
отражателем
несколько
раз
в
секунду, а
частицы
с
энергией
не
менее
100 ТэВ
-
практически
ежечасно. При
взаимодействии
с
конструкционными
материалами
ЯЭУ
они
способны
образовывать
широкие
каскады
вторичных
частиц, вызывающих
деления
в
активной
зоне
реактора
Вспышки на Солнце с энергией свыше 100 МэВ/нуклон, случающиеся
примерно
раз
в
месяц, способны
приводить
к
росту
потока
СКЛ
до
4 порядков, что
также
влияет
на
потоки
нейтронов
в
активной
зоне
ЯЭУ.
Необходимо
учесть
влияние
таких
событий
на
пуск
ядерного
реактора
![Page 9: обеспечение ядерной и радиационной безопасности космической ядерной энергетической установки на](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022013111/55b64c33bb61eb5a498b46b8/html5/thumbnails/9.jpg)
Модель
ТРП
«ТОПАЗ»
в
GEANT4Модель
ТРП
«ТОПАЗ»
в
GEANT4
G4NDL 4.2
Добавление
моделей
протон-ядерных
взаимодействий
высокой
точности
для
низких
энергий
с
сечениями
из
TENDL-2010
+ ENDF-VII.0
Добавление
процессов
деления
протонами
и
пионами
![Page 10: обеспечение ядерной и радиационной безопасности космической ядерной энергетической установки на](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022013111/55b64c33bb61eb5a498b46b8/html5/thumbnails/10.jpg)
Пространственно-временные характеристики
каскада
нейтронов
Пространственно-временные характеристики
каскада
нейтронов
Во
всех
событий
с
числом
делений
в
первом
поколении
более
1000 размеры
каскада
превышали
размеры
активной
зоны, при
этом
количество
первичных
нейтронов
в
каждом
отдельном
ЭГЭ
не
превышает
200. Выравнивание
энерговыделения
происходит
уже
через
10e-4 с.
![Page 11: обеспечение ядерной и радиационной безопасности космической ядерной энергетической установки на](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022013111/55b64c33bb61eb5a498b46b8/html5/thumbnails/11.jpg)
Количественные
характеристики каскада
нейтронов
Количественные
характеристики каскада
нейтронов
Мощность
специального
источника
нейтронов, осуществляющего
запуск
ТРП
«ТОПАЗ»
составляет
3,5·e-7 Вт
или
1,1·e+4 делений
ежесекундно
![Page 12: обеспечение ядерной и радиационной безопасности космической ядерной энергетической установки на](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022013111/55b64c33bb61eb5a498b46b8/html5/thumbnails/12.jpg)
Вспышки
на
СолнцеВспышки
на
Солнце
Чем
меньше
будет
время
достижения
пика
потока
протонов, тем
быстрее
будет
происходить
рост
тепловой
мощности
реактора. Таким
образом, мощная
непродолжительная
вспышка
может
привести
даже
к
срыву
пуска
ЯЭУ
![Page 13: обеспечение ядерной и радиационной безопасности космической ядерной энергетической установки на](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022013111/55b64c33bb61eb5a498b46b8/html5/thumbnails/13.jpg)
Приспособление
GEANT4 к расчетам радиационной
защиты.
Реактор
как
источник
излучений.
Приспособление
GEANT4 к расчетам радиационной
защиты.
Реактор
как
источник
излучений.В
соответствии
с
планами
перехода
от
расчетов
защиты
от
РУ
и
РП
ОКП
по
отдельности
к
единому
расчету, требуется
программный
комплекс, позволяющий
моделировать
адронные
и
электромагнитные
процессы
с
участием
легких
ионов
с
зарядами
от
+1 до
Z.
В
связи
с
возможными
ограничениями
на
использование
MCNPX, в
качестве
возможной
замены
рассматривается
GEANT4.
Ввиду
отсутствия
в
GEANT4 расчета
на
keff,
сначала
требовалось
создать
метод
корректного
описания
ядерного
реактора, как
источника
излучений.
![Page 14: обеспечение ядерной и радиационной безопасности космической ядерной энергетической установки на](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022013111/55b64c33bb61eb5a498b46b8/html5/thumbnails/14.jpg)
Полученные
результатыПолученные
результаты
ПроизведенныеПроизведенные
вычислениявычисления
длядля
ТРПТРП
типатипа
««ТОПАЗТОПАЗ»»
далидали
оценкиоценки
удельныхудельных утечекутечек
((нана
1 1 ВтВт
тепловойтепловой
мощностимощности))::
1.11.1··10101010
нейтроновнейтронов
вв
секундусекунду,,
3.23.2··10101010
фотоновфотонов
вв
секундусекунду,,
2.32.3··101088
электроновэлектронов
вв
секундусекунду, ,
1.01.0··101077
позитроновпозитронов
вв
секундусекунду,,
2.42.4··10104 4 альфаальфа--частицчастиц
вв
секундусекунду,,
3.43.4··101033
ядерядер
66HeHe,,
1.31.3··10105 5 ядерядер
99BeBe,,
11··1010--11
протоновпротонов,,
55··1010--1 1 дейтроновдейтронов,,
1.71.7··101000
тритоновтритонов,,
33··1010--11
ядерядер
77Li.Li.
ТокиТоки
нейтроновнейтронов, , фотоновфотонов
ии
гаммагамма
совпалисовпали
сс
рассчитаннымрассчитанным
вв
MCNP MCNP сс
высокойвысокой точностьюточностью
![Page 15: обеспечение ядерной и радиационной безопасности космической ядерной энергетической установки на](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022013111/55b64c33bb61eb5a498b46b8/html5/thumbnails/15.jpg)
MCNP GAMOSток
через
торцевую
поверхность
ТРП
на
1 исходный
нейтрон
нейтроны 5.74E-2 ±
0.11E-2 5.84E-2 ±
0.26E-2гамма 8.04E-2 ±
0.07E-2 7.87E-2 ±
0.19E-2
средний
поток
через
боковую
поверхность
ТРП
на
1 исходный нейтрон, см-2
нейтроны 1.73Е-2 ±
0.04Е-2 1.74Е-2 ±
0.09Е-2гамма 5.01Е-2 ±
0.12E-2 4.97E-2 ±
0.23E-2
Число
делений
в
первом
поколении
в
активной
зоне
на
1 исходный
нейтрон
0.389 ±
0.04 0.394 ±
0.08
Сравнение
результатовСравнение
результатов
![Page 16: обеспечение ядерной и радиационной безопасности космической ядерной энергетической установки на](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022013111/55b64c33bb61eb5a498b46b8/html5/thumbnails/16.jpg)
GAMOSMCNP
Локальная
оценка. Модели
в
MCNP и GEANT4/GAMOS
Локальная
оценка. Модели
в
MCNP и GEANT4/GAMOS
Для
решения
задач
радиационной
защиты
требуется
алгоритм
локальной
оценки, частично
реализованный
в
GAMOS (GEANT4-based
Architecture
for
Medicine-Oriented
Simulations)
![Page 17: обеспечение ядерной и радиационной безопасности космической ядерной энергетической установки на](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022013111/55b64c33bb61eb5a498b46b8/html5/thumbnails/17.jpg)
Защита: 3 см обедненный уран, 20 см гидрид литиядистанция от центра активной зоны до детектора 3 мнейтроны гамма
Флюенс нейтронов с энергией > 0.1 МэВ: Доза гамма-излучения:MCNP: 2.27E-9 ± 0.02E-9 см-2*МэВ-1 MCNP: 1.06E-17 ± 0.02E-17 ЗвGAMOS: 1.96E-9 ± 0.24E-9 см-2*МэВ-1 GAMOS: 1.01E-17 ± 0.06E-17 Зв
на один первичный нейтрон
Локальная
оценка. Сравнение
результатовЛокальная
оценка. Сравнение
результатов
![Page 18: обеспечение ядерной и радиационной безопасности космической ядерной энергетической установки на](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022013111/55b64c33bb61eb5a498b46b8/html5/thumbnails/18.jpg)
Спасибо за внимание!