Avaliação da camada de fissão e estudo comparativo de combustíveis em um sistema híbrido de fusão-fissão baseado no reator ARC

dc.creatorKarytha Merie Silva Corrêa
dc.date.accessioned2026-02-23T12:49:46Z
dc.date.issued2025-12-04
dc.description.abstractHybrid fusion–fission systems (HFFRs) emerge as a promising alternative for sustainable nuclear energy generation and the reduction of long-lived radioactive waste. In this work, a hybrid system based on the Affordable Robust Compact Reactor (ARC) fusion reactor was developed with the objective of investigating neutron flux behavior, assessing the insertion of a fission transmutation blanket, and analyzing the efficiency of different reprocessed fuels. The methodology was structured in successive stages. Initially, a simplified model of the ARC reactor was developed using the MCNP5 code in order to analyze the neutron spectrum generated by fusion and to identify the most suitable position for the insertion of the transmutation blanket. Subsequently, five distinct hybrid models (HF, H4, H6, H9, and H12) were proposed, considering different geometric configurations of the fission blanket and the ratio between coolant and fuel volumes. These models were first evaluated with reprocessed dioxide-based fuel (TRU, Th)O₂, under steady-state conditions and throughout the burnup process, by coupling the MCNP5 and MONTEBURNS/ORIGEN2.1 codes. Later, the analysis was expanded to include nitride-based fuel (TRU, Th)N, applied to the H4 and H6 models, in order to compare its performance against the dioxide-based reprocessed fuel. The results indicated that the strategic placement of the transmutation layer downstream of the beryllium blanket hardened the neutron spectrum and made it possible to achieve a tritium breeding ratio (TBR) of approximately 1.85, ensuring tritium self-sufficiency. The analysis of the models using (TRU,Th)O₂ showed that H4 exhibited the highest effective multiplication factor (keff) and transmutation rates, followed by H6. In contrast, for the (TRU,Th)N systems, H6 achieved the best transmutation rate despite having a lower keff than H4, while more highly discretized models favored neutron capture and the accumulation of ²⁴¹Am, implying additional challenges for fuel-cycle management. The comparative assessment between the fuels further demonstrated that, under the same conditions, the choice of transmutation-layer configuration and fuel type has a decisive influence on burnup efficiency and on transmutation dynamics.
dc.description.sponsorshipCNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
dc.description.sponsorshipFAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais
dc.description.sponsorshipCAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/1843/1701
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal de Minas Gerais
dc.rightsAcesso aberto
dc.rightsCC0 1.0 Universalen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/
dc.subjectEngenharia nuclear
dc.subjectReatores nucleares
dc.subjectFusão nuclear
dc.subjectFissão nuclear
dc.subjectEnergia nuclear
dc.subject.otherSistema híbrido
dc.subject.otherTransmutação
dc.subject.otherReator ARC
dc.subject.otherSistema de fusão
dc.titleAvaliação da camada de fissão e estudo comparativo de combustíveis em um sistema híbrido de fusão-fissão baseado no reator ARC
dc.typeTese de doutorado
local.contributor.advisor-co1Claubia Pereira Bezerra Lima
local.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/1635197498453054
local.contributor.advisor1Carlos Eduardo Velasquez Cabrera
local.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/2694400303783391
local.contributor.referee1Javier González Mantecón
local.contributor.referee1Clarysson Alberto Mello da Silva
local.contributor.referee1Leandro Paulo de Almeida Reis Tanure
local.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/9333201588915757
local.description.resumoOs sistemas híbridos de fusão-fissão (HFFR) surgem como uma alternativa promissora para a geração de energia nuclear sustentável e a redução de rejeitos radioativos de longa vida. Neste trabalho, desenvolveu-se um sistema híbrido baseado no reator de fusão Affordable Robust Compact Reactor (ARC), com o objetivo de investigar o comportamento do fluxo de nêutrons, avaliar a inserção de uma camada de transmutação por fissão e analisar a eficiência de diferentes combustíveis reprocessados. A metodologia foi estruturada em etapas sucessivas. Inicialmente, elaborou-se um modelo simplificado do reator ARC utilizando o código MCNP5, a fim de analisar o espectro de nêutrons provenientes da fusão e identificar a posição mais adequada para a inserção da camada de transmutação. Em seguida, foram propostos cinco modelos híbridos distintos (HF, H4, H6, H9 e H12), considerando diferentes configurações geométricas da camada de fissão e a razão entre o volume de refrigerante e combustível. Esses modelos foram inicialmente avaliados com combustível reprocessado à base de dióxido (TRU, Th)O₂, em estado estacionário e ao longo do processo de queima, por meio do acoplamento entre os códigos MCNP5 e MONTEBURNS/ORIGEN2.1. Posteriormente, a análise foi expandida para incluir o combustível de nitreto (TRU, Th)N, aplicado aos modelos híbridos, de forma a comparar seu desempenho frente ao combustível reprocessado a base de dióxido. Os resultados indicaram que a inserção estratégica da camada de transmutação após a manta de berílio promoveu endurecimento espectral e permitiu atingir uma taxa de produção de trítio (TBR) de aproximadamente 1,85, assegurando autossuficiência na produção de trítio. A análise entre os modelos utilizando o combustível (TRU, Th)O2 revelou que o H4 apresentou os maiores valores de fator de multiplicação efetivo (keff) e taxas de transmutação, seguido pelo H6. Já a análise dos sistemas com (TRU, Th)N demonstrou que H6 obteve melhor taxa de transmutação apesar de ter um keff menor que H4, enquanto modelos mais discretizados favoreceram capturas e o acúmulo de ²⁴¹Am, implicando desafios adicionais para o gerenciamento do ciclo do combustível. A análise comparativa entre os combustíveis demonstrou que sob as mesmas condições a escolha da configuração da camada de transmutação e do tipo de combustível exerce influência decisiva na eficiência do processo de queima e na dinâmica da transmutação.
local.identifier.orcidhttps://orcid.org/0009-0001-6075-8513
local.publisher.countryBrasil
local.publisher.departmentENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA NUCLEAR
local.publisher.initialsUFMG
local.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Ciências e Técnicas Nucleares
local.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA NUCLEAR

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