2024, Выпуск 2

EDN: FVHVAR

Авторы

Чилап В.В., Солодченкова С.А., Чиненов А.В.

Организация

ООО «Интеллект», Москва, Россия

Чилап В.В. – руководитель проекта, доктор философии (ядерная энергетика) Международной научной общественной организации «Международная Академия информационных технологий» (МНОО «МАИТ»), академик МАИТ. Контакты: 117246, Москва, Научный проезд, д. 20, стр. 2, пом. I, комн. 71. Тел.: (916) 825-24-05, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в браузере должен быть включен Javascript..
Солодченкова С.А. – научный руководитель проекта, кандидат физико-математических наук.
Чиненов А.В. – главный инженер проекта.

Аннотация

Рассматриваются основные ядерно-физические принципы и предпосылки практической реализации новой схемы электроядерного способа производства нейтронов, основанной на ядерных релятивистских технологиях (ЯРТ), которые позволяют наиболее последовательно реализовать потенциальные преимущества этого способа. Данная новая схема нацелена на использование максимально жесткого нейтронного спектра, формируемого пучками релятивистских частиц внутри глубоко подкритичной, квазибесконечной активной зоны, для решения широкого круга задач ядерной энергетики и смежных отраслей. В предлагаемой схеме предусматривается, в частности, повышение энергии пучка релятивистских частиц с традиционной для классических электроядерных систем (ADS) энергии ~1 ГэВ до уровня ~10 ГэВ.
Анализируются существующие проблемы значительных расхождений результатов расчетного моделирования электроядерного способа производства нейтронов в области промежуточных энергий бомбардирующих частиц (0,5÷10–15 ГэВ) и соответствующих экспериментов, проведенных на массивных подкритических мишенях. Расчеты по стандартным транспортным кодам не могут воспроизвести наиболее жесткую, простирающуюся далеко за границы делительного, часть нейтронного спектра, который формируется пучками релятивистских частиц внутри глубоко подкритической массивной (урановой/ториевой) мишенной сборки.
Проведен анализ ключевых результатов измерений, в частности, утечки нейтронов из мишени с массой ~512 кг природного урана (установка «КВИНТА»), которая облучалась пучком дейтронов НУКЛОТРОНА-М ОИЯИ с энергиями от 1 до 8 ГэВ (0,5÷4 ГэВ/нуклон) в рамках проекта «Энергия и Трансмутация». Этот проект был нацелен на проверку базовых ядерно-физических принципов схемы ЯРТ.
Надежно установлено, что с увеличением энергии пучка наблюдается значительный рост доли высокоэнергетичной (с Е_n>20 МэВ) компоненты спектра нейтронов утечки, причем это значительное ужесточение экспериментального нейтронного спектра не воспроизводится стандартными транспортными кодами. Это требует серьезной коррекции базовых ядерно-физических моделей, используемых в современных транспортных кодах.
На основе анализа процессов, происходящих в квазибесконечной глубоко подкритичной (урановой/ториевой) системе под действием инициирующего пучка промежуточных энергий, предложено определение электроядерного нейтрона и проведена оценка его полной энергетической цены для квазибесконечной сборки из урана-238. Показано, что при реализации схемы ЯРТ можно ожидать ее величины на уровне ~6–7 МэВ, в отличие от принятой в классической схеме ADS величины ~ 40–50 МэВ.
Предполагается, что главной причиной трудностей расчетного моделирования нейтронного спектра и других процессов, происходящих в массивных мишенях под действием релятивистских частиц промежуточных энергий, является использование в транспортных кодах модели внутриядерного каскада (МВК) и ее многочисленных модификаций для описания первичного акта взаимодействия высокоэнергетической частицы с ядрами мишени. Вычленены основные несоответствия МВК реально происходящим процессам, не позволяющие на ее основе получить адекватные результаты. Показано, что с использованием разрабатывавшихся ранее моделей, которые базируются на микроскопических подходах, в том числе моделей квантовых ударных волн, можно более адекватно описать большинство явлений, вызываемых релятивистскими частицами, включая даже самые сложные характеристики процесса фрагментации.
Сформулированы и обоснованы цели и задачи создания на базе ускорителя У-70 ИФВЭ НИЦ «Курчатовский институт» уникального бенчмарка мирового класса (установка «КУРС») с использованием квазибесконечной мишенной сборки (МС) из обедненного урана «Большая мишень» («БМ») массой ~ 21 т.
Основной задачей бенчмарка «КУРС» является получение комплекса ядерных данных, необходимых для создания и тестирования транспортных кодов нового поколения, включающих принципиально новые ядерно-физические модели. Предполагается, что эти коды, помимо более достоверного моделирования и решения ряда фундаментальных и прикладных задач, позволят также проводить надежные расчеты, необходимые для создания реальных электроядерных систем и их лицензирования.

Статья основана на работах авторов, выполненных в Центре физико-технических про-ектов (ЦФТП) «Атомэнергомаш», Москва, Россия.

Авторы выражают глубокую благодарность всем членам коллаборации «Энергия и Трансмутация» за плодотворную совместную работу по получению, анализу и обсуждению полученных результатов. Особую признательность и благодарность авторы выражают руко-водителю проекта ОИЯИ «Энергия и Трансмутация» Сергею Ивановичу Тютюнникову и науч-ному координатору проекта — Вальтеру Ильичу Фурману.

Отдельно авторы выражают искреннюю благодарность и признательность всей ко-манде Нуклотрона-М ускорительного отделения ЛФВЭ ОИЯИ, обеспечившей возможность получения уникальных экспериментальных результатов на установке «Квинта».

Ключевые слова
электроядерный способ производства нейтронов, системы управляемые ускорителем (ADS), область промежуточных энергий, протоны, дейтроны, глубоко подкритичная система, квазибесконечная урановая мишень, ядерные релятивистские технологии (ЯРТ), мезонообразование, фрагментация, межъядерный каскад, высокоэнергетичное деление, реакции типа (n,xn), электроядерный нейтрон, модель внутриядерного каскада, модель квантовых ударных волн

Полная версия статьи (PDF)

Список литературы

УДК 621.039: 539.172

Вопросы атомной науки и техники. Cерия: Ядерно-реакторные константы, 2024, № 2, c. 40–74