تبدیل راکتور ایزوتوپی با شار بالا به سوخت LEU

بر اساس ابتکار اداره امنیت ملی هسته ای (NNSA)، راکتورهای تحقیقاتی هسته ای که در حال حاضر از سوخت اورانیوم با غنای بالا (HEU) استفاده می کنند، باید به سوخت اورانیوم با غنای پایین (LEU) تبدیل شوند تا از انتشار مواد قابل استفاده جلوگیری شود. برای ایجاد سلاح های هسته ای مهندسان هسته‌ای در آزمایشگاه ملی اوک ریج به شبیه‌سازی چندفیزیکی روی آورده‌اند تا به‌طور دقیق و دقیق طرح‌های جدیدی را برای تبدیل ایمن راکتور ایزوتوپی شار بالا ORNL کشف کنند.

شرح سریع پراکندگی نوترون

تقریباً تمام پیشرفت های علمی عمده در جامعه مدرن را می توان به توسعه درک عمیق تر از مواد در مقیاس اتمی ردیابی کرد. از پیشرفت محاسبات و اینترنت تا پیشرفت‌های پزشکی مدرن، دانش در مورد مواد و خواص فیزیکی آنها برای کشف اختراعاتی که قبلاً در مورد آنها فکر نمی‌شد، حیاتی است. اما چگونه می توانیم این دانش را از چیزی که در مقیاس اتمی اتفاق می افتد به دست آوریم؟ پراکندگی نوترونی یکی از روش هایی است که دانشمندان برای بررسی موقعیت و حرکت اتم ها در ماده متراکم استفاده می کنند. با هدف قرار دادن پرتوی متمرکز از نوترون ها به سمت یک نمونه، می توان چیزهای زیادی در مورد ساختار و خواص فیزیکی ماده آموخت. هنگامی که پرتو نوترونی به نمونه برخورد می کند، برخی از ذرات از مواد عبور می کنند.

الگوهای انحراف و انرژی های نوترون های پراکنده را می توان تفسیر کرد و اطلاعاتی را در مورد ترکیب، خواص و رفتار ماده آشکار کرد. تاسیسات پراکندگی نوترون، مانند راکتور ایزوتوپی شار بالا یا HFIR (تلفظ High-FIR) در آزمایشگاه ملی Oak Ridge (ORNL)، توسط دانشمندان و مهندسان برای تحقیقات در زمینه‌های مختلف، از جمله تحقیقات مواد، شیمی فیزیک، زمین استفاده می‌شود. علم و رشته پزشکی

تفاوت بین سوخت HEU و LEU چیست؟

در سال 1978، تلاش‌های تبدیلی برای طراحی مجدد تحقیق و آزمایش راکتورهایی که در حال حاضر از اورانیوم با غنای بالا (HEU) برای تبدیل آنها به سوخت اورانیوم با غنای پایین (LEU) استفاده می‌کنند، انجام شده است. اولین ابتکار برای تشخیص نیاز به تبدیل، برنامه غنی سازی کاهش یافته برای راکتورهای تحقیقاتی و آزمایشی (RERTR) بود که اجرای برنامه هایی را برای کاهش استفاده از HEU در سراسر جهان آغاز کرد.

در سال 2004، وزارت انرژی ایالات متحده ابتکار جهانی کاهش تهدیدات (GTRI) را آغاز کرد. ماموریت GTRI کاهش و محافظت از استفاده از مواد هسته‌ای و رادیواکتیو در سایت‌های غیرنظامی واقع در سرتاسر جهان از طریق کمک به طرح‌های تبدیل راکتورهایی با استفاده از سوخت HEU است. با این حال، رویکرد تبدیل سوخت برای هر رآکتور بسته به نوع راکتور تحقیقاتی، ویژگی‌های سوخت مورد استفاده و محدودیت‌های تأسیسات متفاوت است، که لازم است تحقیقات زیادی در مورد تبدیل هر راکتور انجام شود.

تاسیسات پرتودهی گاما راکتور ایزوتوپی با شار بالا در ORNL
تأسیسات تابش گاما HFIR در ORNL، یک مرکز آزمایشی که برای تابش مواد با تشعشع گاما از عناصر سوخت مصرف شده برای مطالعات در مورد اثرات تشعشع بر مواد طراحی شده است. تصویر از آزمایشگاه ملی اوک ریج، بخش انرژی ایالات متحده.

بنابراین، تفاوت بین سوخت HEU و سوخت LEU چیست؟ اورانیوم طبیعی از حدود 99٪ ایزوتوپ ²³⁸ U و حدود 0.7٪ ایزوتوپ ²³⁵ U تشکیل شده است. به طور کلی سوخت LEU نوعی اورانیوم غنی شده است که دارای درصد ترکیب اورانیوم 235 20 درصد یا کمتر است. از سوی دیگر، سوخت HEU از 20 درصد یا بیشتر اورانیوم 235 تشکیل شده است. تاکنون، 20 راکتور ایالات متحده با استفاده از ترکیب سوخت LEU که قبلاً آزمایش و مجوز شده است، تبدیل شده اند. در حال حاضر کار برای توسعه سوخت های جایگزین برای پنج رکتور باقی مانده که نمی توانند با استفاده از سوخت LEU موجود تبدیل شوند، انجام می شود.

HFIR یکی از این رآکتورها است که هنوز تحت تبدیل قرار نگرفته است. این به دلیل طراحی هسته منحصر به فرد HFIR، چگالی توان بالا و ویژگی های سوخت فعلی است که تبدیل را به یک کار چالش برانگیز تبدیل می کند. علاوه بر این، از آنجایی که HFIR یکی از بالاترین شارهای نوترونی حالت پایدار را در بین هر رآکتور تحقیقاتی در جهان فراهم می کند، تأثیر آن بر عملکرد راکتور باید حداقل باشد تا مأموریت پراکندگی نوترون فعلی راکتور و همچنین سایر مأموریت ها، از جمله ایزوتروپ حفظ شود. تولید، تاسیسات تابش، و تجزیه و تحلیل فعال سازی نوترون.

در حالی که تحقیقات در مورد تبدیل سوخت HFIR در حال انجام است، انتظار می‌رود این فرآیند چندین سال طول بکشد و HFIR در حال حاضر آخرین راکتور تحقیقاتی است که با سوخت HEU در ایالات متحده کار می‌کند. محققان ORNL در حال حاضر از شبیه‌سازی چندفیزیکی برای بررسی و تأیید طرح‌های جدید راکتوری که با سوخت LEU کار می‌کند، استفاده می‌کنند.

شبیه سازی چند فیزیک برای تبدیل سوخت HFIR

در یک مقاله اخیر در COMSOL News 2014 ، من برخی از تحقیقاتی را که در حال حاضر در ORNL برای تبدیل HFIR در حال انجام است، بحث کردم. دکتر جیمز دی فریلز و دانشجوی فارغ التحصیلش، فرانکلین جی. کورتیس، دو مهندس محقق در ORNL، از قابلیت‌های تعامل ساختار سیال (FSI) COMSOL Multiphysics برای کشف طرح‌های جدید برای هسته HFIR استفاده می‌کنند. شماتیکی از هسته HFIR و همچنین عکسی از هسته در زیر نشان داده شده است:

شماتیک هسته HFIR
عکس از هسته HFIR

صفحات سوخت، که در بالا نشان داده شده اند، یکی از اجزای اصلی هسته راکتور هستند. آنها برای کنترل توزیع سرعت و دمایی که در آن مایع خنک کننده وارد هسته می شود و از آن عبور می کند استفاده می شود. پروژه کنونی کورتیس مدل سازی انحرافات و نوسانات کوچک صفحه سوخت است که ممکن است در حین کار راکتور رخ دهد و تعیین کند که چگونه انحرافات با استفاده از سوخت LEU جدید تغییر خواهند کرد.

در حال حاضر، یک طرح سوخت نهایی مشخص نشده است، اما چند طرح سوخت جایگزین پیشنهاد شده است – و این سوخت در تحلیل‌های کورتیس استفاده می‌شود. سوخت جایگزین دارای غنی‌سازی اورانیوم 235 19.75 درصد است، برخلاف سوخت فعلی راکتور که غنی‌سازی 93 درصدی دارد.

یکی از عواملی که مدل‌سازی هسته HFIR را بسیار پیچیده می‌کند، شکل پیچ‌خورده صفحات سوخت است که با صفحات سوخت در بسیاری از راکتورهای دیگر تغییر شکل می‌دهند. در اینجا می‌توانید یک مدل صفحه سوخت را ببینید که انحراف اغراق‌آمیز ناشی از جریان ورق پیچ‌شکل را نشان می‌دهد:

COMSOL Multiphysics مدل صفحه سوخت.
انحراف لبه جلویی صفحه سوخت در پیچ. تجزیه و تحلیل فرکانس ویژه انحراف شکل “S” صفحه سوخت در پیچ HFIR را پیش بینی می کند.

تحقیقات کورتیس شامل تجزیه و تحلیل یک راکتور پیشنهادی مشابه، راکتور منبع نوترونی پیشرفته (ANSR) بود که برای اعتبارسنجی کد COMSOL Multiphysics و محاسبات پایه ایمنی فعلی سوخت HEU استفاده شد.