مقدمه:

راکتورهاي گازي دما بالا۲ از گزینههاي مطرح در راکتورهاي نسل چهـارم محسـوب مـیشـود کـه از ویژگیهاي برجسته آن میتوان به ایمنی ذاتی بالا، هزینه ایمنـی پـایین، بـازدهی بـالا و کاربردهـاي دماي بالا اشاره کرد.مؤسسه انرژي ژاپن به منظور مطالعهي راکتورهاي دما بـالاي پیشـرفته، سـاخت راکتور دما بالاي آزمایشی را با دمـاي سیـال خروجی ۹۵۰ درجه سانتـیگراد در دستـور کــار خـود قرار داد. راکتور HTTR3، راکـتور ۳۰ مگاواتی با خنککننده گازي هلیم و کندکننـده گرافیـت مـی-باشدکه با اهداف ایجاد و ارتقاي دانش فنی راکتورهاي گازي دما بالاي پیشرفتهو انجام آزمایشهـاي تابشدهی مختلف براي نوآوريهاي دما بالا ساخته شده است. از چالشهاي پیش رو در توسـعه ایـن راکتورها، توسعه کدهاي مناسب به منظور استفاده در طـراحی، شبیهسازي عملکرد و تجزیه و تحلیل آنها میباشد. محاسبه ضرایب دمایی همدما از نقطه نظر ایمنی و قابلیت اطمینان حائز اهمیـت مـی-باشد و به منظور تامین ایمنی در قلب راکتورها، همواره این ضریب باید مقداري منفی باشد.این مقاله بخشی از پژوهش انجام گرفته در مرجع[۵]است که در آن با در نظز گرفتن راکتور HTTR به عنـوان

Isothermal temperature coefficients

High Temperature Gas-Cooled Reactors (HTGR)

High Temperature Engineering Test Reactor

۲۱st Iranian Nuclear Conference 25-26Feb 2015 University of Isfahan

راکتور مرجع،محاسبات نوترونیک انجام شده و ضرایب دمایی نیـز همـدما بـه دسـت آمـده اسـت. از پژوهشهاي قبلی در زمینه محاسبه ضرایب دمایی همدمامیتوان به مراجع [۲]و[۳]اشاره کرد که بـا استفاده از کدهاي مختلف دیگر و همچنین با روش مونتکارلو انجام شـده اسـت.شـایان ذکـر اسـت محاسبه ضرایب دمایی همدما راکتورهاي منشوري دما بالا براي اولـین بـار در ایـران صـورت گرفتـه است. در این پژوهشبا مدلسازي ذرات سـوخت بـه صـورت غیـر همگـن درون میلـههـاي سـوخت، محاسبات به روش یقینی، توسط کدهاي پیشرفته محاسبات سلولی DRAGON4 و محاسـبات قلـب DONJON4 انجام شده است.

۲۱st Iranian Nuclear Conference 25-26Feb 2015 University of Isfahan

مشخصات راکتور مرجع:

جدول شماره (۱) مشخصات قلب این راکتور رابه نمایش میگذارد. تعداد بلـوكهـاي سـوخت درون قلب ۱۵۰ عدد میباشد. هر بلوك سوخت ۳۱ یا ۳۳ کانـال خنـک کننـده دارد کـه در آن میلـههـاي سوخت قرار میگیرند. میلههاي سوخت حاوي پوشش گرافیتیاند که هر یک ۱۴ سوخت فشـرده۴ را در بر میگیرد. هر سوخت فشرده حدودا ۱۳۰۰۰ ذره سوخت پوشـشدار۵ درون خـود دارد کـه ایـن ذرات به صورت تصادفی۶ درون یک ماتریس گرافیتی قرار گرفتهاند.[۵]

جدول شماره : (۱ ) مشخصات قلب راکتور مرجع[۱]

قدرت حرارتی ۳۰MW
دماي خنککننده خروجی ۸۵۰-۹۵۰ C
دماي خنککننده ورودي ۳۹۵ C
فشار خنککننده مدار اولیه ۴MP
ساختار قلب گرافیت
قطر معادل قلب ۲٫۳m
ارتفاع موثر قلب ۲٫۹M
چگالی قدرت متوسط ۲٫۵W/cm3
غناي سوخت % ۳-۱۰
غناي متوسط % ۶
نوع سوخت – UO2 نوع پین در بلوك)۷ذرههاي سوخت پوششدار)
دوره فرسایش سوخت ۶۶۰ روز
ماده خنککننده گاز هلیوم
جهت جریان در قلب از بالا به پایین
تعداد بلوكهاي سوخت ۱۵۰
تعداد ستونهاي سوخت ۳۰

یک ذره سوخت پوششدار از یک هسته سوخت کروي شامل اکسید اورانیوم به همـراه پوششـی از ۴ لایه تشکیل شده است. سموم سوختنی۸ از کربید بورون و کربن ساخته شدهاند که درون دو کانال از سه کانال تعبیه شده در بلوكهاي سوخت قرار میگیرند. شکل شـماره (۱) نمـایی از بـرش افقـی و عمودي قلب راکتور مرجع را نشان میدهد. با توجه به شکل، تعداد بلوكهاي راهنماي میلـه کنتـرل

Fuel compact

Coated Fuel Particle (CFP)

Random

Pin-in-Block Type

Burnable Poison (BP)

۲۱st Iranian Nuclear Conference 25-26Feb 2015 University of Isfahan

در ناحیه سوخت ۷ عدد و در ناحیه بازتابنده ۹ عدد میباشد و در هر بلوك میلهها به صـورت جفـت وارد میشود.[۵]

روش پژوهش:

محاسبه ضرایب دمایی همدما از اهمیت بسیاري در مسائل ایمنی و کنتـرل راکتـور برخـوردار اسـت. ضریب راکتیویته دمایی راکتور HTTR مربوط به ضریب دمایی سوخت و کندکننده میباشـد کـه در محاسبه ضریب دمایی همدما، دماي کل قلب یکسان در نظر گرفته میشود. ضریب دمایی به صـورت تغییرات راکتیویته به ازاي یک درجه تغییر دماي کل قلب تعریف میشود.

ضرایب دمایی همدما براي قلب تمام بارگذاري شده از ضریب تکثیر موثر با رابطه زیر محاسـبه مـی-شود.
(۱) ۱ Kn 1 kn n
Tn 1 Tn
K n 1kn
که در آن:

: n ضریب دمایی بین Tnو (∆k/k/K) Tn+1 :Tn دماي قلب در اندازهگیري n ام((k : Tn+1 دماي قلب در اندازهگیري n+1 ام((k :Kn ضریب تکثیر موثر در دمايTn

:Kn+1 ضریب تکثیر موثر در دمايTn+1

موقیعت بحرانی میلههاي کنترل با افزایش دما در راکتورهـاي قـدرت عملیـاتی تغییـر مـیکنـد امـا موقیعت میلههاي کنترل در این محاسبات جهت بدست آوردن اختلاف راکتیویته نباید تغییـريکنـد .[۲] در این محاسبات موقیعت میلههاي کنترل در ارتفاع ۱۷۷٫۵ سانتیمتـري از پـایین قلـب فعـال راکتور قرار دارد. در اینجا فاکتور ضریب تکثیر موثر براي دماهاي زیر محاسبه شده است:

۴۸۰(K)،۴۶۰ ،۴۲۰ ،۳۸۰ ،۳۴۰ ،۳۰۰ ،۲۸۰

و ضریب دمایی براي دماهاي زیر از ضرایب تکثیر موثر با رابطه (۱) مورد ارزیابی قرار گرفت.

۴۷۰ (K) ،۴۴۰ ،۴۰۰ ،۳۶۰ ،۳۲۰ ،۲۹۰

۲۱st Iranian Nuclear Conference 25-26Feb 2015 University of Isfahan

در این پژوهش به منظور استخراج نتایج بهتر از ظریفترین سـاختار انــرژي موجـود، بـا ۳۶۱ گـروه انرژي بهره بردهایم. ساختار انرژي SHEM 361 به منظور چگالش۹ گروههـاي انـرژي از طیـف نـوعی راکتورهاي دما بالا استفاده میکند. این ساختار انرژي در قالب DRAGON تهیه شده است و مربـوط به بانک دادههاي هستهاي آمریکا (ENDF7) میباشد.

گزینههاي انتخاب شده به منظور تولید سطح مقاطع در این پژوهش شامل موارد زیر است:

-۱ اصلاح معادله ترابرد (transport) بر اساس غیر همسانگردي خطی (P1) در پراکندگی گروه مـورد استفاده به منظور اصلاح کتابخانه سطح مقاطع

-۲ محاسبات خودحفاظی بر اساس روش زیر گروه (Subgroup method)

-۳ در نظر گرفتن دو هتروژنی اعمالی در سوخت فشرده((Double heterogeneity

-۴ استفاده از روش احتمال برخورد (Collision probability) با مدل نشت P1جهت حل شـار در ۳۶۱ گروه -۵ همگنسازي فضایی و چگالش انرژي به ۴ گروه

-۶ استفاده از مدولهاي LIB, GEO, ASM, FLU, USS, EDI, SYBILT به منظور مدلسازي بلوك-هاي سوخت

در محاسبات قلب DONJON4، کل قلب راکتور با استفاده از تقارن یک سوم مدل شده و جهت حـل معادله پخش از ماژول TRIVAT: ، همراه با روش حـل المـان محـدود۱۰و چنـد جملـهاي مکعبـی۱۱ استفاده شده است.

condensation

finite elements

Mixed-dualCubic

۲۱st Iranian Nuclear Conference 25-26Feb 2015 University of Isfahan

_

شکل شماره : (۱ ) نمایی از برش افقی (سمت چپ) و برش عمودي (سمت راست) قلب راکتور مرجع .[۱]

نتایج پژوهش:

جداول شماره (۳)و((۴و شکل شماره (۲) نتایج این پژوهش، و مقایسه با نتایجدیگر مراجـع را نشـان میدهند. براي محاسبه ضرایب دمایی همدما نیاز به محاسبه ضریب تکثیر موثر در دماهـاي مختلـف میباشد، در جدول شماره (۲) ضریب تکثیر موثر براي قلب تمام بارگذاري شده در دماهـاي مختلـف در بازه دمایی [۳۰۰ ۴۸۰]کلوین با روش یقینی(محاسبه شده)، روش احتمالاتی(مونتکارلو) و دیگـر مراجع بینالمللی آورده شده است.نتایج محاسبه شده با کدهاي DRAGON4-DONJON4در مقایسه با کدهاي DELIGHT-CITATIONنتایج تقریباً مشابهی دارد اما در مقایسه با کدهاي دیگر اخـتلاف قابل توجهی را نشان میدهد،همچنین مقایسه نتایج محاسبه شـده بـا دو نتیجـه حاصـل از کـدهاي DRAGON4-HEXPEDITE با شرایط مرزي متفاوت از مرجع [۳] نتیجه بینابینی را نشان مـیدهـد.