Use este identificador para citar ou linkar para este item: http://hdl.handle.net/1843/78350
Tipo: Tese
Título: Análise neutrônica do projeto de um reator rápido para transmutação em um sistema híbrido fusão-fissão
Título(s) alternativo(s): Neutronic analysis of a fast reactor design for transmutation in a fusion-fission hybrid system
Autor(es): Renato Vinícius Alvernaz Marques
Primeiro Orientador: Claubia Pereira Bezerra Lima
Primeiro Coorientador: Carlos Eduardo Velasquez Cabrera
Primeiro membro da banca : Alessandro da Cruz Gonçalves
Segundo membro da banca: Leandro Paulo de Almeida Reis Tanure
Terceiro membro da banca: Clarysson Alberto Mello da Silva
Quarto membro da banca: Rochkhudson Batista de Faria
Resumo: Este trabalho propõe um projeto de reator rápido subcrítico de pequeno porte com uma fonte externa de nêutrons para transmutação de actinídeos. O reator integra recursos de sistemas ADS (Accelerator-Driven System) e sistema de fusão baseados na tecnologia Tokamak. Ambas as fontes externas de nêutrons foram avaliadas, uma a partir do espectro de evaporação e outra proveniente do espectro de fusão aplicadas no pequeno reator subcrítico rápido projetado. A análise envolveu a avaliação do fluxo de nêutrons e das taxas de transmutação de actinídeos através de simulações de queima de combustível a 1200 K. O objetivo primário foi avaliar a possibilidade de implementação deste sistema através da análise dos parâmetros neutrônicos utilizando o espectro de nêutrons de uma fonte de fusão-fissão proveniente de um Tokamak como fonte externa no sistema proposto, comparando com o mesmo sistema usando a fonte de espalhamento do ADS. Primeiramente, as análises levaram em consideração a mesma composição de combustível, no caso elementos transurânicos reprocessados diluídos em tório, para uma temperatura de trabalho de 1200 K e com o combustível fresco, ou seja, sem realização de sua queima. Em segundo lugar, uma simulação de queima de combustível foi realizada para mostrar o comportamento do fluxo de nêutrons e principalmente as taxas de transmutação de actinídeos para cada fonte externa no sistema modelado. Os resultados indicaram a importância das fontes externas de nêutrons nos sistemas subcríticos. Além disso, os resultados mostraram que o sistema com a fonte externa de nêutrons de fusão-fissão exibiu alta transmutação de actinídeos após a avaliação de queima de combustível. Após a análise primária do sistema modelado de maneira semi-heterogênea, foi projetado também o mesmo reator de maneira heterogênea, com o objetivo de comparar os dois modelos propostos, considerando a fonte externa de nêutrons de fusão-fissão no sistema. Nesta análise, além da comparação dos modelos projetados, também foi comparada o combustível GANEX tanto diluído em tório quanto em urânio empobrecido, de modo a analisar os parâmetros de queima nos sistemas com estes dois combustíveis. Ademais, uma análise dos sistemas com o reator à potência zero e também com o reator à plena potência foi realizada, mostrando o comportamento neutrônico nos sistemas modelados. Por fim, foram realizadas análises de transmutação de actinídeos no SSFR proposto com a fonte externa de nêutrons de fusão com a inserção no sistema de uma camada refletora ao redor do núcleo do reator, em comparação com o sistema sem essa camada refletora. A análise também comparou diferentes materiais refletores para esta respectiva camada. O propósito foi mitigar a fuga de nêutrons do núcleo do sistema, o que aumentaria o fluxo de nêutrons no núcleo do reator e, consequentemente, podendo melhorar os parâmetros de transmutação no sistema. Todas as análises foram realizadas utilizando o código MONTEBURNS que executa de forma conectada os códigos MCNP5 e ORIGEN2.1. Os dados neutrônicos foram obtidos pelo código MCNP5 e os dados de queima e variação da composição do combustível foram obtidos pelo ORIGEN2.1. As bibliotecas de seção de choque foram fornecidas pela JEFF-3.3 e geradas pelo NJOY-2012.
Abstract: This work proposes a project of a small subcritical fast reactor with an external neutron source for actinide transmutation. The reactor integrates features of ADS and fusion system based on Tokamak technology. Both external neutron sources were evaluated, one from the evaporation spectrum and the other from the fusion spectrum applied to the designed small fast subcritical reactor. The analysis involved the evaluating the neutron flux and actinide transmutation rates through a fuel burnup simulation at 1200 K. The primary objective was to evaluate the possibility of implementing this system through the analysis of neutronic parameters using the neutron spectrum of a fusion source from a study Tokamak as an external source in the proposed system, comparing it with the same system using the evaporation source of ADS. First of all, the analyzes took into account the same fuel composition for a working temperature of 1200 K for fresh fuel. Secondly, a fuel burnup simulation was performed to show the neutron flux behavior and mainly the actinide transmutation rates for each external source in the modeled system. The results indicated the importance of external neutron sources in subcritical systems. Furthermore, the results showed that the system with the external fusion neutron source exhibited high actinide transmutation after the fuel burnup evaluation. After this primary analysis of the system modeled in a semi-heterogeneous way, the same reactor was also designed in a heterogeneous way, with the aim of comparing the two proposed models, considering the external source of fusion-fission neutrons in the system. In this analysis, the GANEX fuel was also evaluated, both diluted in thorium and depleted uranium, in order to analyze the burnup parameters in systems with these two fuels. Furthermore, an analysis of the ‘cold zero power’ and ‘hot full power’ systems was also carried out, showing the neutronic behavior in the modeled systems. Finally, an actinide transmutation analyzes were carried out in the proposed SSFR using the fusion external neutron source with an insertion of a reflective layer surrounding the reactor core, comparing with the system without this reflective layer. The analysis also compared different reflective materials for this respective layer. The purpose was to mitigate the neutron leakage from the system core, which would increase the neutron flow in the reactor core and, consequently, could improve the transmutation parameters in the system. All analyzes were performed using the MONTEBURNS code, which executes the MCNP5 and ORIGEN2.1 codes in a connected way. The neutronic data were obtained by the MCNP code and the burnup and fuel composition variation data were obtained by ORIGEN2.1. The cross section libraries were provided by JEFF-3.3 generated by NJOY-2012.
Assunto: Engenharia nuclear
Reatores nucleares
Fusão nuclear
Fissão nuclear
Fluxo de nêutrons
Elementos actinídeos
Elementos transurânicos
Simulação por computador
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Minas Gerais
Sigla da Instituição: UFMG
Departamento: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA NUCLEAR
Curso: Programa de Pós-Graduação em Ciências e Técnicas Nucleares
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/
URI: http://hdl.handle.net/1843/78350
Data do documento: 4-Jul-2024
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