CONJUNTO SUBCRÍTICO ACOPLADO COM ACELERADOR (ADS) PARA TRANSMUTAÇÃO DE REJEITOS NUCLEARES: UMA ABORDAGEM DE MODELAGEM COMPUTACIONAL

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Victor Gabriel da Rocha Van Der Vinne
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1 CONJUNTO SUBCRÍTICO ACOPLADO COM ACELERADOR (ADS) PARA TRANSMUTAÇÃO DE REJEITOS NUCLEARES: UMA ABORDAGEM DE MODELAGEM COMPUTACIONAL Mirta B Torres Berdeguez UESC IX Latin American IRPA Regional Congress on Radiation Protection and Safety - IRPA 213 Rio de Janeiro, RJ, Brazil, April 15-19, 213 SOCIEDADE BRASILEIRA DE PROTEÇÃO RADIOLÓGICA - SBPR

Latin American IRPA Regional Congress on Radiation Protection and Safety - IRPA 213

2 Roteiro Introdução Justificativa Objetivos da pesquisa Estado da arte e fenômenos físicos O sistema ADS Os fenômenos de spallation e transmutação Materiais e métodos Caracterização do alvo de spallation Modelagem probabilística de um ADS do tipo leito de bolas. Resultados Conclusões e trabalhos futuros

Materiais e métodos Caracterização do alvo de spallation Modelagem

3 ADS Introdução calcanhar de Aquiles da energia nuclear TRANSMUTAÇÃO 1914 Produzir nuclídeos mais estáveis e menos radiotóxicos. Spallation Transmutação

4 Spallation Cascata Intranuclear Projétil Projétil Núcleo Núcleons Evaporação nêutrons Nêutrons Prótons

5 Transmutação z X A + n zy A Captura Fissão T1/2 e(g)- Sv/Bq Radiotoxicidade Exemplos de transmutação n Pu ( 66 anos ) 241 Pu (14 anos ) Captura n Pu 134 Xe ( estável ) + 15 Rh ( 35 horas ) + 3 n + 2 MeV Fissão n Am ( 432 anos ) 242 Am (16 horas ) Captura 242 Am 242 Cm (163 anos ) + β + υ Decaimento β 242 Cm 238 Pu ( 88 anos ) + α Decaimento α n Pu 142 Ce ( estável ) + 95 Zr ( 64 días ) + 2 n + 2 MeV Fissão n + 99 Tc ( 211 anos ) 1 Tc (15. 8 s ) Captura 1 Tc 1 Ru ( estável ) + β + υ Decaimento β

horas ) Captura 242 Am 242 Cm (163 anos ) + β + υ Decaimento β 242 Cm 238 Pu ( 88 anos ) + α Decaimento α n + 238 Pu 142 Ce (

6 Objetivos Modelar uma geometria ADS de pequeno porte composta por combustível TRISO carregado com uma mistura de MOX de urânio e tório para material alvo de spallation de urânio, utilizando métodos de modelagem computacional probabilística, em particular o programa MCNPX 2.6E. Caracterização do alvo de spallation em função da energia do feixe de prótons incidente e as dimensões do alvo. Modelagem probabilística de um dispositivo ADS do tipo leito de bolas, visando avaliar as características físicas do disp ositivo e sua capacidade de transmutação.

6E. Caracterização do alvo de spallation em função da energia do feixe de prótons incidente e as dimensões do alvo.

7 Materiais e métodos Caracterização do alvo de spallation de U Estudo de otimização das dimensões do alvo de spallation (espessura e raio); Obtenção do espectro de nêutron no alvo de spallation; Avaliação da producão de nêutrons (Pn/P) por próton incidente em função da energia do feixe incidente de prótons; Por último, visando avaliar a eficiência energética do alvo de spallation, foi estudado o comportamento da produção de nêutrons por unidade de energia do próton incidente. MCNPX tally F1 Espessura ótima do alvo de spallation R= 15 cm δ= 5 até 8 cm Ep 3, 6 e 1 MeV Dependendo do raio 9, 12 e 15 cm Espectros de nêutrons e custo do nêutrons R-15 cm, δ-2 cm 1 MeV 2 mil histórias

eficiência energética do alvo de spallation, foi estudado o comportamento da produção de nêutrons por unidade de energia do próton incidente.

8 Materiais e métodos Modelagem de um ADS do tipo leito de bolas Distribuição do fluxo de nêutron no núcleo do reator; Variação da potência térmica no núcleo do dispositivo; Variação do coeficiente de multiplicação efetivo do núcleo subcrítico; Variação da composição isotópica do combustível do núcleo. Especificamente, a avaliação das concentrações de actinídeos menores e isótopos de plutônio. U R-15 cm δ-2 Cálculo de Potência- Tally F7 (1,64E+4) (MeV/g), Cálculo Keff-KCODE, Cálculo de fluxo nêutrons-tally F4 (,62E+17) (# /cm2), Transmutação- BURN TIME 238U, 232Th, 235U, 233U, 242Pu, 241Pu, 24Pu, 239Pu, 238Pu e os MA, 244Cm, 242Cm, 243Am, 241Am e 237Np.

Especificamente, a avaliação das concentrações de actinídeos menores e isótopos de plutônio.

9 Resultados Caracterização (Pn/P) vs Espessura Ep 3, 6 e 1 MeV Ep1MeV Ep6MeV (Pn/P) vs Raio Ep 1 MeV 4 Ep3MeV 4 cm Pn/P Pn/P Pn/P U 12 cm U U Espessura (cm) R15cm R12cm R9cm Raio (cm)(cm) Espessura

cm 35 36 35 3 U 4 38 4 25 32 2 15 2 3 1 U 15 28 9 1 5 5 1 2 3 4 5

10 Resultados Caracterização Espectro normalizado de nêutrons (Pn/P) e custo do nêutron vs Ep,5 6.6 MeV,35 5,3 4,4,25 Pn/P,3 3,2 2,15,2 1,1,5,1 1E-3,1,1 1 Energia (MeV) Energia (MeV) Custo do nêutron Fluxo normalizado de nêutrons,6

11 Resultados Modelagem ADS do tipo leito de bolas Fluxo de nêutrons e potência em função vs tem po para uma campanha do reator de 365 dias 2 1,4E+15 1,35E+15 1,3E+15 1,25E+15 1,2E+15 1,15E Tempo (dias) 25 3,65,6 keff Fluxo de nêutrons Potência Potência (MW) Fluxo de nêutrons (n/cm s) 1,45E keff,55,5, Tempo (dias)

(dias) 25 3,65,6 keff Fluxo de nêutrons Potência Potência (MW) Fluxo de nêutrons (n/cm s) 1,45E+15 5

12 Resultados Modelagem ADS do tipo leito de bolas Evolução temporal dos actinídeos menores U Pu239 Pu24 Pu241 Pu242 U 1 M assa (g) Massa (g) Evolução temporal dos isótopos de plutônio,1 Cm244 Cm242 Np237 Am243 Am241, Tempo (Dias) Tempo (Dias)

Pu242 U 1 M assa (g) Massa (g) Evolução temporal dos isótopos de plutônio,1

13 Conclusões Neste trabalho, se caracterizou o alvo de spallation de urânio em função da energia do feixe de prótons incidente e as dimensões do alvo, e se realizou a modelagem probabilística de um dispositivo ADS do tipo leito de bolas, visando avaliar as características físicas do dispositivo e sua capacidade de transmutação. A produção de nêutrons por próton incidente aumenta com o incremento das dimensões do alvo de spallation (espessura e raio), até que é alcançada a máxima produção de nêutrons por próton incidente ou a chamada região de saturação. Os valores de espessura e raio, para a qual é alcançada a máxima produção de nêutrons determinam as dimensões ótimas do alvo de spallation, as quais foram de 4 cm de espessura por 12 cm de raio para um feixe incidente de prótons de 1 MeV. Com relação ao espectro de nêutrons simulados concluímos que os nêutrons gerados pela reação de spallation têm uma distribuição de energia que varia entre zero e a energia do feixe incidente de prótons, com o valor máximo de fluência de nêutrons de,6 MeV. A produção de nêutrons induzidos por próton incidente varia proporcionalmente com a energia do feixe incidente de prótons. A determinação do custo de nêutrons revelou que, para energias acima de 1 MeV, a produção de nêutrons por unidade de energia do feixe incidente de prótons diminui, o que significa um aumento do custo de nêutrons

A produção de nêutrons por próton incidente aumenta com o incremento das dimensões do alvo de spallation (espessura e raio), até que é alcançada a máxima produção de nêutrons por próton incidente ou

14 Conclusões Os resultados obtidos na modelagem do dispositivo ADS do tipo leito de bolas, com relação à variação isotópica dos isótopos de plutônio e os actinídeos menores, considerados na análise, revelaram que a acumulação da massa dos isótopos de plutônio e dos actinídeos menores aumenta. No caso particular do isótopo 239Pu, se observa uma diminuição da massa a partir do tempo de queima de 99 dias.

revelaram que a acumulação da massa dos isótopos de plutônio e dos actinídeos menores aumenta.

15 Trabalhos futuros Estudo de sistemas ADS de alta densidade de potência, acima de 1 MW, com material alvo de chumbo e tungstênio; Estudo de outras geometrias do núcleo subcrítico, composições diferentes de material combustível, material refletor e tipo de refrigerante; Estudo dos parâmetros macroscópicos no núcleo subcrítico, a partir do acoplamento com o cálculo termo hidráulico; Análise de sensibilidade do código MCNPX 2.6E, com os novos modelos físicos diferentes e as bibliotecas de dados nucleares mais recentes.

refrigerante; Estudo dos parâmetros macroscópicos no núcleo subcrítico, a partir do acoplamento com o cálculo termo hidráulico;

16 Muito Obrigada!!!

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