Podsumowanie projektu PDS-XADS: Projekt prototypu reaktora sterowanego akceleratorem Jerzy Cetnar AGH Kraków 1
Historia ADS (Accelerator Driven Systems) 1941 Glenn Seaborg produkcja Pu przy użyciu akceleratora (target uranowy) 1950-1954 MTA (Material Testing Accelerator) badania nad produkcją materiałów rozszepialnych przy użyciu akceleratora (cyklotron McGill-a) 1960 Lawrence et al. Electronuclear Reactor produkcja Pu239 i U233 1975-1988 międzynarodowy program FERFICON konwersja materiałow rodnych na rozszczepialne 1991 BNL Tuyle,Takahashi ADS dla transmutacji odpadów promieniotwórczych 1993 CERN Rubbia Energy Amplifier 2001 European Roadmap for Developing ADS for Nuclear Waste Incineration EURATOM Rozdzielanie i Transmutacja (Partitioning and Transmutation), 4-ty Program Ramowy EURATOM 2
Plan badań nad transmuterami ADS 3
Planowane koszty 4
Etapy rozwoju ADS do transmutacji 5
Projekty EURATOM dedykowane ADS 6
Sieć badawcza ADOPT w obszarze P&T 5-PR EURATOM 7
8
Strategie transmutacyjne 9
Misja transmutacji ADS Wykorzystanie systemów podkrytycznych sterowanych akceleratorem należy do zawansowanych opcji powyższego programu badawczego i wymaga znacznego wysiłku intelektualno-badawczego, jednocześnie jest to najdynamiczniej rozwijający sie kierunek badań w obszarze nowoczesnej technologii jądrowej. Głównym celem strategicznym tego kierunku badań jest osiągnięcie technologii pozwalającej znacznie zredukować ilość generowanych odpadów promieniotwórczych oraz wypalić znaczną część istniejących zasobów odpadów przy jednoczesnym poprawieniu bezpieczeństwa systemów jądrowych. 10
Fizyka Reaktora Transmutacji Twarde widmo neutronów maksymalizacja transmutacji: Lepsza efektywność rozszczepień MA Mniejszy wychwyt neutronów Wyższy poziom strumienia neutronów Konsekwencje obecności MA w paliwie Coraz mniejsza frakcja neutronów opóźnionych Zmniejszony margines bezpieczeństwa przed krytycznością na neutronach natychmiastowych Zmniejszony współczynnik Dopplera Rosnąca niepewność fizyko-chemicznej niestabilności paliwa Remedium -> podkrytyczność w układzie ze spalacyjnym źródłem neutronów ADS Nowe problemy specyficze dla ADS wymagane R&D 11
Cele projektu Ewaluacja projektów XADS 80MWth chłodzony LBE (Ansaldo) 80MWth chłodzony gazem (Framatome ANP) 50MWth chłodzony LBE małej skali (SCK-CEN) Porównanie koncepcji -wybór kierunku rozwoju badań Wskazanie punktów krytycznych projektu Definicja bezpieczeństwa oraz procesu licencjonowania Definicja wymaganych badań (R&D) Wstępny szacunek kosztów 12
Partnerzy projektu PDS-XADS 13
Charakterystyka reaktora XADS (akcelerator) 14
Wstępna charakterystyka reaktora XADS - układ podkrytyczny 15
Wersja chłodzenia LBE (80 MWth) - Ansaldo 16
Horyzontalna konfiguracja rdzenia 17
konfiguracja rdzenia 18
Poziomy podkrytyczności 19
Główne parametry rdzenia chłodzonego LBE) 20
Funkcjonalne paramerty jądrowe 21
Zalety i wady koncepcji 80MWth XADS chłodzony LBE Basenowy typ reaktora duza masa ale odporny sejsmicznie Małe spadki ciśnień w obiegu chłodzącym -brak mechnicznych pomp gazowy system cyrkulacji Bardziej skomplikowana wymiana paliwa (obecność tarczy, magnesów wiązki protonów) Wysokie bezpieczeństwo operacyjne: Mała temperatura chłodziwa Mała prędkość przepływu Mała gęstość mocy w rdzeniu Poważne zagrożenia bezpieczeństwa eksploatacyji w związku z LBE: Korozyjność Możliwe chopy w obwodzie chłodzenia Brak transparentności chłodziwa utrudniona inspekcja ISI Radiotoksyczność Po210 22
Wersja chłodzenia gazem (80 MWth) Framatome ANP 23
Sprzężenie akceleratora z układem podkrtytycznym Układ chłodzony gazem 24
Przekrój rdzenia reaktora chłodzonego gazem (He) 25
Elementy paliwowe (XADS chłodzony gazem) 26
Parametry elementów paliwowych 80MWth chłodzony gazem Zmiany reaktywnosci 27
Zalety i wady koncepcji 80MWth XADS chłodzony gazem He Bogate doświadczenie z technologii krytycznych reaktorów prędkich chłodzonych gazem Transparentność chłodziwa łatwa kontrola wzrokowa W przyjętej koncepcji koszulek paliwowych problemy z chłodzeniem konieczność żebrowania koszulek + kontrola przepływu chłodziwa Mozliwa zmiana formy na mikrosfery SiC Tarcza wyłącznie z oknem problemy z żywotnością eliminacja problemu obecności Po210 w obiegu pierwotnym rdzeniu 28
MYHRA SCK-CEN (50 MWth) Wersja chłodzenia LBE 29
Akcelerator 30
Tarcze spalacyjne XADS 31
32
Udział AGH Zagadnienia opracowane: Projekt rdzenia w systemie chłodzonym LBE Techniczna specyfikacja dla projektu rdzenia oraz elementów paliwowych w systemie chłodzonym ciekłym LBE Określenie możliwości zastosowania istniejącego wysoko wzbogaconego paliwa MOX Określenie możliwości zastosowania elementów absorbujących neutrony w celu zredukowania produkcji polonu 33
Udział AGH c.d Określenie możliwości zastosowania elementów odbijających lub absorbujących neutrony w obszarach peryferyjnych w celu zmniejszenia uszkodzeń radiacyjnych (DPA) Charakterystyka źródła chłodzonym ciekłym LBE Oszacowanie poziomu projekcie jądrowym neutronów błędu w systemie statystycznego w Analiza cyklu paliwowego w rdzeniu referencyjnym w systemie chłodzonym ciekłym LBE Ewaluacja uszkodzeń radiacyjnych oraz aktywacji obiegu chłodzenia w systemie XADS chłodzonym ciekłym LBE 34
Udział AGH c.d. Projekt rdzenia w systemie chłodzonym gazem Techniczna specyfikacja dla projektu rdzenia w systemie chłodzonym gazem Analiza możliwości zaadoptowania specjalnych kaset do transmutacji aktynowców oraz produktów rozszczepienia Analiza cyklu paliwowego w rdzeniu referencyjnym w systemie chłodzonym gazem Ewaluacja uszkodzeń radiacyjnych oraz aktywacji obiegu chłodzenia w systemie XADS chłodzonym gazem Projekt tarczy akceleratora protonów Analiza radiotoksyczności modułu tarczy reaktora XADS Zdefinowanie wymagań dla systemu zanieczyszczeń oraz produktów spalacji oczyszczania z 35
Narzędzie programowe - MCB MCB: Monte Carlo Continuous Energy Burnup Code; uniwersalny program do obliczeń ewolucji czasu gęstości nuklidów w czasie wypalania, transmutacji lub rozpadu promieniotwórczego. Stworzony do analizy i projektowania złożonych systemów jądrowych, zarówno eksperymentalnych jak i przemysłowych, w których przedmiotem zainteresowania są wywołane promieniowaniem jądrowym zmiany w materii, takie jak: transmutacja jądrowa z wywołaną zmianą poziomu krytyczności, aktywacja, zagrożenie radiologiczne, niszczenie struktury, grzanie jądrowe oraz ciepło powyłączeniowe. Powstał on przy współpracy AGH z KTH (Politechniką Szktokholmska) na bazie programowej kodu MCNP oraz oryginalnego programu do analizy trajektorii transmutacyjnych MCB był intensywnie wykorzystywany przy projektowaniu reaktora XADS 36
Cechy Programu c.d. Obejmuje następujące obliczenia: transport neutronów w stanach własnych (układy krytyczne) transport neutronów z zewnętrnym źródłem neutronów (układy podkrytyczne - ADS, synteza, układ hybrydowy fusion-fission) wypalanie, transmutacja, aktywacja, rozpad promieniotwórczy wydajności reakcji, rozkład mocy, ciepło powyłączeniowe aktywacja i radiotoksyczność materiałów parametry reaktorowe (współczynnik mnożenia neutronów - k, powielanie neutronów, importancja źródła neutronów) 37
Metoda obliczeń transmutacyjnych MCB Symulacja procesu transportu neutronów metodą Monte Carlo, wykorzystanie zmodyfikowanych modułów programu MCNP używanie ciągłej reprezentacji energii - uniknięcie ryzyka powstawania błędów wynikających z zaniedbania efektów samoekranowania rezonansowego. uwzględnięnie efektów temperaturowych w wartościach przekrojów czynnych Obliczanie prawdopodobieństw wszelkich możliwych kanałów reakcji Dynamiczne tworzenie ciągu łańcuchów transmutacyjnych, niezależnie dla każdej komórki oraz kroku czasowego. Wyliczanie analitycznych rozwiązań równań Batemana dla wszystkich możliwych przejść po trajektoriach transmutacyjnych. Całościowy łańcuch transmutacyjny jest rozwijany sekwencyjnie w ciąg jednostkowych elementarnych łancuchów nazywanych trajektoriami transmutacyjnymi, których rozwiązania można wyliczyć w sposób ścisły. Analizując przepływ masy w przestrzeni fazowej po każdej trajektorii, program prowadzi proces rozwijania łańcucha transmutacyjnego aż do poziomu odcięcia (zwykle 10-10) 38
Rozwiązania układu równań Bateman-a d Ni = λ i, j N j dt j =1, n N n (t ) = αi = N 1 ( 0) λn b j =1, n 1 n λ α j +1, j i i =1 (λ j =1, n j i (i = 1, n) exp[ λi t ] i λj j λ i) Prędkość usuwania n-tego nuklidu: An (t ) = N1 (0) λα i =1 / n i i exp( λi t ) Usunięta gęstość n-tego nuklidu Rn (t ) = N1 (0) α (1 exp( λ t )) i =1 / n i i 39
Rozwiązania układu równań Bateman-a (przypadek złożony) µi ( λi t ) Ω N1 (0) n N n (t ) = α exp [ λ t ] i i i, µi m λn i=1 m! m =0 m λj αi = B j =1, n λ j λi j i mj B= b j =1, n 1 j +1, j Ωi, 0 = 1 Ωi, j h n hk + µ k 1 k = δ j, hl µ k λ i λ k h1 = 0 h2 = 0 hn = 0 k =1 l =0 k i l i j j j n 40
XADS Benchmarks 41
XADS Benchmarks 42
The Special Assemblies Three types of special transmutation assemblies have been studied. One contains actinide oxides (PuO-AmO). The other two assemblies are loaded with long lived fission products (99Tc and 129I). For the actinide assemblies, the fuel assembly layout is proposed. While, an entierly different layout is proposed for the fission product assemblies. 43
MA Assemblies A 40/60 mixture of Pu/Am has been choosen for the transmutation. A 40/50/10 mixture of Pu/Am/Cm would represent the equilibrium composition1. But, Cm is replaced with Am. The isotope composition is taken from spent 50MWd/kg MOX, which has cooled for seven years. The fuel matrix is MgO which constitutes 60% of the final volume. With 5% porosity the oxide density is 6.34 g/cm3. Pu 239 Pu 240 Pu 241 Pu 242 Pu Total Pu 238 1: 0.020 0.152 0.121 0.053 0.054 0.400 Am 242m Am 243 Am Total Am 241 0.398 0.002 0.200 0.600 (Numbers tell the atomic composition.) P. Smith & J. Wallenius, FUTURE progress report 1,unpublished. 44
FP Assemblies There are two different FP assemblies. Both have the same layout, but they are loaded with either 99Tc or 129I. There is only one rod i each assembly. The central part is moderator (graphite). 10% of the cross-sectional area is FP. Technetium is transmuted as metal (11.5 g/cm3), and iodine as NaI (3.7 g/cm3). Zirconium hydride has been tested as moderator but shows worse performance. FP assembly surrounded by reflector- (top) and fuel assemblies (bottom). 45
Core layout Six MA assemblies are placed in the core centre close to the spallation target, where the flux is fast and intense. Six FP assemblies are placed close to the reflector in order to minimize the negative effects of thermalizing the flux. 46
Transmutacje Nuclide 238Pu 239Pu 240Pu 241Pu 242Pu 241Am 242mAm 243Am 99Tc 129I Special assemblies + 2330 g - 2680 g - 310 g - 1761 g + 605 g - 6010 g + 1110 g - 2730 g - 1420 g + 75 % - 11 % - 1.6 % - 21 % + 7.1 % - 9.6 % + 340 % - 8.6 % -3.5 % Entire core + 3080 g - 39700 g + 3600 g - 3060 g + 1040 g - 4750 g + 1560 g - 2420 g + 851 g Special assemblies + 2290 g - 2630 g - 303 g - 1750 g + 594 g - 5890 g + 1090 g - 2680 g + 74 % - 11 % - 1.6% - 21 % + 7.0 % - 9.4 % + 330 % - 8.4 % Entire core + 3060 g - 39800 g + 3680 g - 2990 g +1030 g + 4640 g + 1540 g - 2360 g - 288 g - 2.6 % +471 g Demostacje wypalania niektórych MA można przeprowadzić Wskazane jest jednak zwiększenie poziom strumienia neutronów 47
Wypalenie Tc99 Wyniki za słabe do demonstacji procesu transmutacji 48
Ewolucja czasowa keff and ks przy użyciu MCB do symulacji cyklu reaktora XADS o mocy 80MWth chłodzonego helem. Przypadek cyklu z trójstopniowym przeładunkiem Gas-cooled XADS in 3 Batch with Pre-equilibrium 0.98 k-source k-eff 0.975 0.97 Criticality 0.965 0.96 0.955 0.95 0.945 0.94 0.935 0 500 1000 Time [full power days] 1500 2000 49
Akumulacja radiotoksyczności w obiegu tarczy reaktora XADS chłodzonego LBE o mocy 80MWth LBE-cooled XADS Target Loop 10 10 8 Radiotoxicity [Sv] 10 Total Po210 Bi210 Bi206 Hg197 Bi205 Bi207 Tl204 Hg194 Sr90 H3 Bi210m 6 10 4 10 2 10-2 10-1 0 10 10 Time [years] 1 10 50
Zanik radiotoksyczności w materiale LBE z obiegu tarczy reaktora XADS o mocy 80MWthw czasie składowania LBE-Cooled XADS Primary Loop 12 10 Total Po210 Bi207 Hg194 Tl204 Bi210m Bi210 Sr90 H3 Bi205 Bi206 Hg197 10 10 Radiotoxicity [Sv] 8 10 6 10 4 10 2 10-2 10 0 10 2 10 Cooling Time [years] 4 10 6 10 51
Raporty dostarczeniowe projektu PDS-XADS dla Komisji Europejskiej wykonane udziałem AGH 1. C.H.M. Broeders, J. Cetnar, at al. Assessment of the possibility to use existing highly-enriched MOX fuel, Appendix A Deliverable 10 Technical Report - Core Configuration Technical Specification of the LBE-Cooled XADS, issued by FZK: DOC02-169, Rev. 0, January 2003 2. J.Cetnar Assessment of the Possibility to Adopt Neutron Absorbing Elements oriented to Po reduction UMM/KTH contribution to Appendix B Deliverable 10 Technical Report - Core Configuration Technical Specification of the LBE-Cooled XADS issued by ENEA: DOC02-170, Rev. 0 (ENEA FIS-P895-005, Rev. 0), October 2002 3. J.Cetnar Assessment of the Possibility to Adopt Neutron Absorbing/ Reflecting Elements at Core Periphery (oriented to DPA reduction) UMM/KTH contribution to Appendix C Deliverable 10 Technical Report - Core Configuration Technical Specification of the LBE-Cooled XADS, issued by CIEMAT: DOC02-171 Rev. 0 (CIEMAT DFN/TR-03/II-02, Rev. 0), October 2002 4. J.Cetnar, W.Gudowski, G. Domanska Uncertainty Evaluation of the Nuclear Design PDS-XADS, WP4.1 LBECooled Concept: Core Design, Minute of the Technical Meeting (16-17 April 2002), issued by Ansaldo Nucleare: XADS 41 RNVX 024 5. J. T. Murgatroyd, R. E. Sunderland, J. Cetnar, et al. Technical Specification of the Core Configuration for the Gas-Cooled XADS - Deliverable 11 PDS-XADS issued by NCC: DOC02-171 (C6862/TR/09 Rev 0) November 2002 6. J.Cetnar, W. Gudowski Evaluation of the neutron multiplication process in ADS by using Monte Carlo neutron transport method, PDS-XADS, Appendix D, Deliverable 23 Neutron Source Characterization issued by NRG: 20782/03.53452, Rev. 0, October 2003 7. J.Cetnar, W. Gudowski Evaluation of the Delayed Neutron Factor by using Monte Carlo Neutron Transport Method PDS-XADS, Appendix G, Deliverable 23 Neutron Source Characterization issued by NRG: 20782/03.53452, Rev. 0 October 2003 52
Raporty dostarczeniowe projektu PDS-XADS dla Komisji Europejskiej wykonane udziałem AGH cd 8. J.Cetnar Radiation Damage and Circuit Activation of the Gas-Cooled XADS Attachment 7, Minutes of WP4.2 Technical Meeting 6 (7 April 2003), issued by NNC Ltd, C6862-MIN-0005 April 2004 9. J.Cetnar Evaluation of Circuit Activation and Radiotoxicity in the LBE-cooled XADS Using Monte Carlo Method MCB Attachment 6 PDS-XADS, WP4.1 LBE-Cooled Concept: Core Design, Minutes of the Technical Progress Meeting (21 March 2004), issued by Ansaldo: XADS 41 RNVX 083 (2004) 10. Jerzy Cetnar, Waclaw Gudowski Assessment of the Possibility to Adopt Special Assemblies with MA and LLFP in the Gas-Cooled XADS Core Deliverable 36 Work Package 4.2 PDS-XADS issued by KTH, Rev. 0 June 2004 11. Daniel Westlén, Jerzy Cetnar, Waclaw Gudowski, Monte Carlo Simulation of Transmutation Performance in Special Assemblies with MA and LLFP placed in the Gas-Cooled XADS Core PDS-XADS, Appendix A Deliverable 36 issued by KTH, Rev. 0 June 2004 12. Jerzy Cetnar, Initial Analysis of Sensitivity to Cross Sections for XADS as MA Transmuter PDS-XADS, Appendix D Deliverable 36 issued by KTH, Rev. 0 June 2004 13. Jerzy Cetnar, Analysis for Radiotoxicity Assessment of the Target Module PDS-XADS, Deliverable 60.2 issued by: AGH-UST Cracow, AGH-FTJ XADS 01 rev 0, March 2004 53
Raporty dostarczeniowe projektu PDS-XADS dla Komisji Europejskiej wykonane udziałem AGH cd. 14. Jerzy Cetnar, Waclaw Gudowski, LBE Purification Requirements due to Radiotoxicity PDS-XADS, Appendix 2 Deliverable 60.3 Definition of Requirements for Purification Systems for Impurities and Spallation Products issued by CEA, DTN/SRPA/LPC 2004/037 June 2004 15. M.F. McDermott, J.T. Murgatroyd, R.E. Sunderland, J. Cetnar, PDS-XADS Work Package 4.2 Deliverable 50 Core Reference Cycle Analysis for the Gas-Cooled Experimental Accelerator Driven System issued by NNC Ltd, C6862/TR/0027 May 2004 16. Jerzy Cetnar, Evaluation of Radiation Damage and Circuit Activation of the Gas-Cooled XADS PDS-XADS, Deliverable 51 issued by: AGH-UST Cracow, AGH-FTJ XADS 02 rev 0, April 2004 17. Jerzy Cetnar, Grażyna Domanska LBE-Cooled XADS Fuel Cycle Analysis by Monte Carlo Method - MCB Appendix G in Deliverable 49 WP4.1 PDS-XADS: Core Reference Cycle Analysis for the LBE-Cooled XADS, issued by ENEA: FIS-P895-027-rev.1 (February 2005) 18. Jerzy Cetnar, Grażyna Domanska Evaluation of Circuit Activation and Radiotoxicity in the LBE-Cooled XADS Using Monte Carlo Method MCB Appendix III in Deliverable 58 WP4.1 PDS-XADS: Evaluation of Radiation Damage and Circuit Activation in the LBE-Cooled XADS ", issued by ENEA: FIS-P895-028-rev.1 (2005) 19. Benoit Girauld,... Jerzy Cetnar, et al. PDS-XADS - Preliminary Design Studies of an Experimental AcceleratorDriven Systems FINAL REPORT issued by Framatome ANP SAS: PVEI DC/05/0255/GBU (July 2005) 54