Laboratorium Radiometrii

Laboratorium Radiometrii
Pawilon C-6, lokal 004
Niezbędnym elementem wdrożenia energetyki jądrowej (EJ) w Polsce jest wykształcenie kadry
akademickiej, Obecnie prawie całkowicie brak ludzi mogących stanowić taką kadrę. Jej odtworzenie może
być dokonane jedynie w oparciu o zakrojony na odpowiednią skalę program badań w dziedzinie EJ i
pokrewnych.
Tematyka badań proponowana przez Katedrę Energetyki Jądrowej związana z funkcjonowaniem i
wykorzystaniem LR będzie obejmowała następujące zagadnienia:
Zastosowanie podkrytycznych układów sterowanych akceleratorem lub reaktorem termojądrowym do
transmutacji zużytego paliwa jądrowego
Prace z wykorzystaniem wyposażenia LR będą dotyczyły pomiarów radioaktywności wzbudzonej w
próbkach materiałów.
Chodzi tu o:
Materiały stosowane do budowy elementów urządzeń stanowiących zewnętrzne źródła
neutronów sterujących mocą układu podkrytycznego, opartego na reakcji rozszczepienia. Tymi
elementami są tarcza spalacyjna (dla układu sterowanego akceleratorem – ADS) i struktury
reaktora termojądrowego (dla układu hybrydowego synteza – rozszczepienie).
Materiały pochodzące z przeróbki wypalonego w reaktorach paliwa jądrowego.
W przypadku materiałów konstrukcyjnych badania mają obejmować ich dwa rodzaje.
Dla układów ADS odpowiedni projekt będzie polegał na następujących szczegółowych
zadaniach
Wykonaniu pomiarów, z wykorzystaniem spektrometrów gamma w LR, bezwzględnych
aktywności nuklidów rezydualnych utworzonych w tarczach spalacyjnych z różnych
materiałów (W, Hg, Th) przez napromienianie wiązką protonów o znacznej energii (200÷1000
MeV). Takie możliwości istnieją m.in. w laboratoriach rosyjskich, z którymi jest nawiązana
współpraca.
Wykonaniu obliczeń symulujących powstawanie radioaktywności w tarczach spalacyjnych.
Porównaniu aktywności radionuklidów zmierzonych i obliczonych.
Z kolei dla układów hybrydowych zadaniem takiego projektu badawczego będzie oszacowanie
wydajności aktywacji neutronami o odpowiednim widmie materiałów w strefach reaktora
termojądrowego poddanych działaniu strumieni neutronów o najwyższych gęstościach. Na tej
podstawie można dalej określić wolumen powstałych nuklidów promieniotwórczych i ich
sposób utylizacji. Do wiarygodnej oceny tych wielkości konieczne jest weryfikowanie obliczeń
numerycznych eksperymentami (wykonalnymi w LR) z użyciem źródeł neutronów o
odpowiednich widmach energetycznych oraz spektrometrów promieniowania emitowanego w
rozpadach powstałych radionuklidów, głównie promieniowania gamma.
Materiały z wypalonego paliwa zawierające aktynowce będą możliwe do uzyskania w ramach
współpracy międzynarodowej. Ich zawartość w badanych próbkach może być oznaczona przy użyciu
spektrometrii cząstek alfa i promieniowania gamma (dostępnej w LR) i skonfrontowana z wynikami
obliczeń teoretycznych z użyciem kodu MCB. Takie porównanie będzie testem wiarygodności obliczeń.
Badania fizyki rdzenia wysokotemperaturowego reaktora gazowego IV generacji do wypalania plutonu i
rzadkich aktynowców produkowanych w jądrowym cyklu paliwowym.
Reaktory IV generacji, o podwyższonych parametrach bezpieczeństwa i efektywności energetycznej,
stanowią obecnie najbardziej rozwijaną dziedzinę w energetyce jądrowej. Wśród nich reaktory
wysokotemperaturowe są szczególnie interesujące dla Polski ze względu na możliwość ich wykorzystania w
ramach tzw. synergii węglowo-jądrowej. Interesującym zagadnieniem jest zbadanie czy mogą one być
również przydatne do wypalania rozszczepialnych produktów przemian zachodzących w paliwie reaktorów
II i III generacji (t.j. powstałych aktynowców). Tutaj również weryfikacja obliczeń efektywności wypalania
kodem MCB powinna być skonfrontowana z odpowiednimi eksperymentami. Podobnie jak w przypadku
układów podkrytycznych, będą one możliwe do skonfrontowania z wynikami pomiarów. Odpowiednie
próbki uzyskane dzięki współpracy międzynarodowej, napromienione w reaktorze termicznym w
warunkach dużych fluencji, będą poddane pomiarom z użyciem spektrometrów alfa i gamma (w LR).
Rozwój oraz zastosowania kodu MCB do obliczeń symulacyjnych transmutacji materiałów
reaktorowych.
Kod MCB zainicjowany i opracowany teoretycznie w obecnej Katedrze Energetyki Jądrowej (WEiP
AGH) przez dr Jerzego Cetnara i rozwinięty we współpracy z Królewską Politechniką (KTH) w
Sztokholmie, znalazł już uznanie w społeczności międzynarodowej energetyków jądrowych. Wymaga on
jednak dalszego rozwoju, m.in. przez sprawdzanie dokładności wykonanych przy jego użyciu obliczeń
transmutacji jądrowych. Przykładem zastosowania tego kodu są obliczenia efektywności wypalania
aktynowców wspomniane w poprzednim punkcie. Istotne znaczenie będzie tu miała możliwość
doświadczalnego sprawdzania wydajności prostych reakcji (o krótkich łańcuchach przemian: 1÷2 reakcje)
możliwych do przeprowadzenia w LR przy użyciu posiadanych źródeł neutronów i spektrometrów. Dłuższe
łańcuchy reakcji i rozpadów mogą być inicjowane tylko przy użyciu źródeł neutronów o dużej wydajności
(dostępnych w Holandii /Petten/ lub we Francji /Grenoble/ reaktorów wysoko-strumieniowych) a
napromienione próbki przesyłane do LR do wykonania pomiarów spektrometrycznych alfa i gamma.
Walidacja danych jądrowych do projektowania układów transmutacji, reaktorów
rozszczepieniowych i reaktorów syntezy jądrowej.
Doświadczenia zespołu KEJ zgromadzone w toku prowadzonych projektów m.in. Coordinated Research
Project (CRP) “Analytical and Experimental Benchmark Analyses of Accelerator Driven Systems (ADS)”,
Project title: Benchmark on the ADS target activation experiment, Contract No 13395/R0,17.XI.2005 –
4.II.2011. pokazują, że nadal wiarygodność danych jądrowych na wielu obszarach jest zdecydowanie
niewystarczająca. W szczególności dotyczy to nieco mniej eksploatowanych zakresów energii neutronów,
charakterystycznych dla sterowanych akceleratorem układów podkrytycznych do transmutacji nuklidów,
czy reaktorów syntezy jądrowej. Podniesienie jakości stosowanych bibliotek przekrojów czynnych może
nastąpić w wyniku weryfikacji doświadczalnej w wykonanych, adekwatnych pomiarach. Możliwości tych
dostarczy wyposażenie Laboratorium Radiometrii w tym:
Detektor HPGE koaksjalny o wydajności 100% z kompletnym torem spektrometrycznym
INSPECTOR oraz oprogramowaniem GENIE 2000 Canberry czy detektor Si(Li) do pomiaru
promieniowania X i niskich energii gamma z takim samym torem pomiarowym.
Lampowy impulsowy generator neutronów GENIE 16 GT firmy SODERN – do pomiarów
dotyczących reaktorów syntezy jądrowej.
Stąd – program badawczy projektu przewiduje:
Napromienianie próbek różnych materiałów przy użyciu źródeł neutronów /zarówno izotopowych
241Am-Be i 252Cf jak i lampowego generatora neutronów/.
Pomiary aktywności wzbudzonych przy pomocy w/wym. detektorów ?.
Konfrontacja wyników obliczeń wykonanych przy wykorzystaniu walidowanych danych jądrowych z
odnośnymi pomiarami. Wnioski.
Badanie własności torowego cyklu paliwowego
Cykl paliwowy, w którym rolę materiału rodnego zamiast 238U pełni 232Th wytwarzający cenny 233U
był od dawna obiektem badań i nieraz preferowanym wariantem (np. dla noblisty C.Rubbii). Odznacza się
on fundamentalną zaletą jaką jest praktyczna nieobecność trans-plutonowców w cyklu i znikome ilości
wytwarzanego plutonu. Kłopoty z paliwem zawierającym transplutonowce niedwuznacznie sugerują, że
zamknięty cykl paliwowy Th-U będzie łatwiejszy w realizacji niż taki sam – U-Pu. Inną zaletą są wielkie
globalne zasoby toru w złożach o dużych koncentracjach. Również wariant nieproliferacyjny cyklu jest
osiągalny dzięki:
towarzyszącemu wytwarzanemu 233U izotopowi 232U /t.j. pośrednio – źródłu twardego (2.6 MeV)
promieniowania ? z 208Tl/;
drogą rozcieńczenia 233U w 238U, czyli ”psuciu” materiału rozszczepialnego.
Jednak wprowadzenie do cyklu tego izotopu cięższego o 6 neutronów od 232Th, musi skutkować
pojawieniem się transplutonowców, co prawda, w ilości kilkakrotnie niższej niż w cyklu U-Pu. Jest więc
oczywistym, że cykl ten też nie może być wolny od wad. Powstaje tym samym zapotrzebowanie na
dokładniejsze rozpoznanie, w tym także doświadczalne własności tego cyklu. M.in. inspiruje do tego
pozostająca w dyspozycji KEJ znacząca ilość tlenku toru (>200 kg), o charakterze unikatowym w skali
międzynarodowej.
Stąd – z jej wykorzystaniem – można wiązać następujące badania eksperymentalne:
Napromienianie próbek różnych aktynowców (m.in. 238U, 235U, 237Np) w zestawie torowym przy
użyciu źródeł neutronów /zarówno izotopowych 241Am-Be i 252Cf jak i lampowego generatora
neutronów/.
(Zakłada się tu warianty zestawu o różnych widmach neutronów: twardym oraz o mniejszym lub większym
stopniu spowolnienia).
Pomiary strumienia przy pomocy detektorów neutronów.
Pomiary aktywności wzbudzonych przy pomocy detektorów ?.
Konfrontacja wyników pomiarów i odnośnych obliczeń. Wnioski.