مقدمه

راکتورهای هیبریدی راکتورهایی با قلب همجوشی و بلانکتی زیربحرانی هستند که از آنها علاوه بر تولید انرژی، جهت تولید تریتیم به عنوان سوخت همجوشی در راکتورهای همجوشی مبتنی بر سوخت دوتریم-تریتیم مورد استفاده قرار میگیرد. افزون بر آن راکتورهای هیبریدی میتوانند ۳۰ برابر یک راکتور زایندهی سریع، سوخت شکافا تولید کند.[۱] تولید تریتیم در راکتورهای هیبریدی از طریق واکنش گیراندازی ( (n,در لیتیم صورت می گیرد.
(T6) → ۴۲He + 31T + 4.784MeV (کند) ۱۰n 63Li +
(T7)× → ۴۲He + 31T + 10n(slow) − ۲٫۴۸ MeV (سریع) ۱۰n 73Li +

باتوجه به این نکته و درنظر گرفتن کندشدن نوترونها هنگام عبور از دیوارهی راکتور و مواد ساختاری، دستیابی به نرخ خودکفای تولید تریتیم علاوه برانتخاب نوع مواد بکار رفته در راکتور به انتخاب غنای بهینهی لیتم ۶ در مادهی زاینده نیز بستگی دارد. نرخ خودکفای زایش تریتیم در بسیاری از منابع ۱/۰۵ در نظر گرفته شده است.[۲] استفاده از مواد بارور حاوی اورانیوم و توریوم علاوه بر کمک به تکثیر نوترونی و افزایش نرخ زایش تریتیم منجر به تولید سوخت شکافا از طریق واکنش ( (n, نیز میشود. در این مقاله به بررسی پارامترهای نوترونی از قبیل میزان غنای بهینهی ایزوتوپ Li-6 در مادهی زایندهی تریتیم و نرخ زایش تریتیم((TBR در آن، نرخ زایش سوخت، میزان نشت نوترونی و ضریب تکثیر انرژی یک راکتور هیبریدی همجوشی به طریق محصور شدگی لختی((ICF و بلانکت آن خواهیم پرداخت تا در نهایت از بین مواد معرفی شده، بهترین زاینده و مادهی بارور انتخاب شود. محاسبات نوترونی با استفاده از کد مونت کارلوی MCNPX نسخهی ۲,۶ و کتابخانهی دادههای هستهای TENDL2011 انجام شده است.

معرفی کلی راکتور شبیهسازی شده

۴۱۰

راکتوری که در این پژوهش مورد شبیهسازی قرار گرفته است، یک راکتور همجوشی به روش فشردگی لختی ۱۰۰۰ مگاواتی است که دارای شکل کلی استوانهای با نسبت هندسی ۱/۵ و دو نیمکره در بالا و پایین آن است. شعاع و ارتفاع بدنهی داخلی راکتور با به ترتیب برابر با ۴/۵ و ۱۳/۵ متر در نظر گرفته شده است. هلیم نیز با فشار ۱۵ اتمسفر به عنوان خنککنندهی گازی درنظر گرفته شده است. از کامپوزیت SiCf/SiC بدلیل خواص خوب کندکنندگی و بازتابندگی نوترون، بازدهی گرمایی بالا، مقاومت بالا در برابر گرما و خوردگی و دارا بودن کمترین فعالسازی القایی در اثر بمباران نوترونهای ۱۴MeV ناشی از انفجار قرص،به عنوان مادهی ساختاری استفاده شده است .[۳]، قرص سوخت راکتور دارای پیکربندی دوجداره و پارامتر R برابر ۱/۳۵ g/cm2 در نظر گرفته شده است و توان ناشی از انرژی نوترونها ۱۸۱۸ مگاوات می باشد .[۴] در طراحی دیوارهی اول، از طرح دیوارهی مرطوب به همراه محافظ فیلم سرب مایع استفاده شده است .[۵] بلانکت راکتور از نوع بلانکت برپایهی بستر ساچمههای زایندهی جامد با گاز خنک کننده و تهویهی هلیومی است که به اختصارHCPB1 خوانده میشود، شکل .(۲)

شکل -۱ الف) ضخامت و درصد حجمی مواد تشکیل دهندهی بلانکت ب) مقطع عرضی یک ماژول بلانکت

کل ناحیهی زایندهی تریتیم از ساختاری لایهای- ساندویچی برخوردار است که با افزایش فاصله از قلب راکتور، ضخامت مادهی زاینده نیز افزایش مییابد. از دو نوع ساچمهی سرامیکی زاینده Li2O و Li4SiO4 که دارای بیشترین چگالی لیتیم در بین سرامیکهای زاینده و خواص خوب مکانیکی و حرارتی میباشند، به عنوان مواد کاندیدای زایندهی تریتیم استفاده شده است. ضریب به هم پکیدگی ساچمههای Li2O ، Li2SiO4 به ترتیب ۸۰ و ۶۴/۵ درصد میباشد که در محاسبهی چگالی نسبی آنها مورد استفاده قرار گرفته است.[۶] ناحیهی زایندهی سوخت شکافا تنها در پوشش استوانهی بلانکت قرار داده میشود. ناحیهی مذکور از شبکهای شش گوشه با طول گام Cm 1/2 تشکیل شده است که میلههای سوخت با طول ۴/۵ متر و قطر داخلی و خارجی ۱/۱ و ۱/۱۲ Cm ، غلاف سوخت( ( SiC و خنک کنندهی He آن را پر کردهاند. گیراندازی تابشی نوترون درتوریوم۲۳۲ و اورانیوم۲۳۸ به ترتیب منجر به تولید سوختهای شکافای اورانیوم۲۳۳ و پلوتونیوم ۲۳۹ می شود. لذا موادی که به عنوان کاندیدای

۱ . Helium Cooled Pebble Based

۴۱۱

زایندهی سوخت شکافا در نظر گرفته شده اند عبارتند از ThO2، UO2، UN، ThC و U3Si2 که علاوه بر خواص مکانیکی و حرارتی خوب، دارای چگالی سوخت بالا و خواص بازتابندگی نوترونی خوب هستند.

نتایج

در این پژوهش با تغییر میزان غنای ایزوتوپ Li-6 در مادهی زاینده و بررسی تغییرات پارامترهای نوترونی به کاوش غنای بهینهی ایزوتوپ Li-6 میپردازیم. کمترین میزان غنای Li-6 در نظر گرفته شده %۵ اتمی و گامهای افزایش غنا نیز ۵ درصد می باشد. در شکلهای ۲ تا ۵ نمودار تغییرات پارامترهای مورد مطالعه بر حسب غنای Li-6 از جمله زایش تریتیم و سوخت شکافا نشان داده شده است.

شکل -۲ نمودار نرخ زایش تریتیم در حضور هر سوخت بارور برای الف) زایندهLi2O ب) زایندهLi4SiO4

دیده می شود که در هر دو سرامیک زاینده، نرخ زایش تریتیم روند مشابهی را برای تمام سوختهای بارور نشان میدهد. افزایش غنای Li-6 منجر به گیراندازی نوترونی بیشتر در Li-6 و گیراندازی کمتر در Li-7 میشود که ناشی از افزایش چگالی ذره ای Li-6 و کاهش چگالی ذرهای Li-7 و همچنین کاهش طیف نوترونهای سریع در اثر افزایش برخوردهای غیرکشسان نوترونهای سریع با Li-6 است. لذا انتظار داریم رفتار TBR ناشی از رقابت واکنشهای T6 و T7 باشد. در مورد Li2O تا غنای ۶۰ درصد نمودارها روندی صعودی دارند و از ۶۰ درصد به بعد TBR کاهش مییابد. همچنین افزایش TBR از غنای ۲۵ درصد تا ۶۰ درصد بسیار کم است، بطوریکه بیشترین میزان تغییرات TBR حدود ۱/۷ درصد میزان بیشینه است. ضمن آنکه بیشترین میزان TBR یعنی ۱/۲۱۱ در سوخت U3Si2 رخ میدهد. در مورد زایندهی Li4SiO4 اگرچه نمودار TBR روند صعودی خود را حفظ میکند، اما تغییرات TBR از غنای ۵۰ درصد به بالا بسیار کم و حدود ۲/۳ درصد است، شکل(.(۲ نرخ خودکفای تریتیم برای سوختهای اورانیومی در غنای ۲۵ درصد و برای سوختهای توریومی در غنای بیش از ۵۰ درصد رخ میدهد. در شکلهای (۳) تا (۵) تغییرات نرخ واکنش شکافت، نرخ زایش سوخت شکافا بر واحد سانتیمترمکعب و میزان نشت نوترونی بر واحد سانتیمتر مربع و ضریب تکثیر انرژی راکتور آمده است. مطابق این نمودارها، باز هم تغییرات اندک تمام پارامترها از غنای ۲۵ درصد به بعد در زایندهی Li2O و۵۰ درصد در زایندهی Li4SiO4 در حضور تمامی سوختهای بارور باز هم مشاهده میشود. به این ترتیب غنای

۴۱۲

بهینهی ایزوتوپ Li-6 برای زایندهی Li2O برابر ۲۵ درصد اتمی و برای زایندهی Li4SiO4 حدود ۵۰ درصد اتمی خواهد بود.