Paula Matuoka. Instituto de Física da Universidade de São Paulo 14 de outubro de 2016

Transcrição

1 Estudo das reações nucleares envolvendo núcleos pesados e prótons a energias intermediárias e altas e de uma aplicação em física de reatores nucleares (ADS) Paula Matuoka Instituto de Física da Universidade de São Paulo paula.matuoka@usp.br 14 de outubro de 2016 Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

2 Conteúdo 1 Introdução 2 Reações Nucleares 3 CRISP MCMC MCEF Multimode-Fission 4 Física de Reatores 5 MCNPX 6 Resultados Reações Nucleares Reator ADS Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

3 Introdução A busca por fontes de energias não-emissoras de gases do efeito estufa resultou em uma renovada atenção dispendida à geração de energia nucleoelétrica. O aumento progressivo da participação dos reatores de potência na grade energética mundial acarretaria em: Exploração excessiva das reservas de urânio; Comprometimento da capacidade de depositar combustível nuclear queimado e rejeitos de alta radioatividade em repositórios geológicos profundos. Estratégias em relação ao combustível nuclear queimado: Reprocessamento (MOX); Partição & Transmutação (P&T); Minimização da geração de rejeitos. [NIFENECKER et al., 2001] Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

4 ADS Reatores Nucleares Acionados por Fontes (Accelerator Driven System) Fonte externa de nêutrons (spallation): Acelerador de prótons ( 1 GeV): LINAC, cíclotron, ou combinações; Alvo: metal pesado ( 1 m), sólido ou ĺıquido. Meio multiplicativo subcrítico (k eff < 1). Interesse: Excesso de nêutrons e nêutrons energéticos; Transmutação de TRU (MA) e LLFP; Utilização do ciclo do tório para produção de energia; Segurança quanto a acidentes por criticalidade. Desafios: Demanda por dados nucleares e demonstrações; Aceleradores potentes; Escala industrial. Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

5 Objetivos A pesquisa foi dividida em duas etapas: Estudo das reações nucleares com prótons a energias intermediárias e altas e núcleos pesados. Cascata intranuclear, processo competitivo evaporação/fissão e multifragmentação. Simulações com o código CRISP. Objetivo: identificar parâmetros relevantes na otimização da produção de nêutrons. Aplicação em física de reatores (ADS). Fonte de spallation acoplada a meio multiplicativo subcrítico. Simulações com o código MCNPX. Objetivo: influência da fonte externa na operação de um ADS para transmutação/geração de energia. Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

6 Reações Nucleares Reações nucleares a energias intermediárias e altas podem ser descritas como um mecanismo de duas etapas: I. Cascata intranuclear É a distribuição da energia e do momento da partícula incidente por interações bárion-bárion; partículas secundárias são criadas e estas podem interagir ou deixar o núcleo caso tenham energia superior à de ligação; a cascata termina quando nenhuma partícula puder ser emitida, e todas as colisões a partir desse momento levam apenas à termalização do sistema nuclear; núcleo residual excitado (E ). [DEPPMAN et al., 2012] Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

7 Reações Nucleares II. Desexcitação A segunda etapa, mais lenta que a anterior, depende da energia de excitação E do núcleo formado após a cascata intranuclear: Se E < 3 MeV/A, ocorre um processo competitivo entre a evaporação dominante para nucleons com numero de massa A < 230, caracterizada pela emissão de partículas (principalmente neutrons, prótons e alfas) como forma de desexcitação do núcleo, e formação de um resíduo de spallation e a fissão dominante para núcleos com A > 230, caracterizada pela formação de dois fragmentos de fissão. Se E > 3 MeV/A, pode ocorrer a multifragmentação nuclear, que é um processo mais rápido que a competição evaporação/fissão e que consiste na produção simultânea de diversos fragmentos com características nucleares variadas. [DEPPMAN et al., 2012] Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

8 CRISP MCMC Código Monte Carlo CRISP Colaboração Rio-Ilhéus-São Paulo Modelo da Cascata Intranuclear (MCMC): Partícula incidente (p, γ, híperon) com energia E; Núcleo (A,Z); Modelo de gás de Fermi degenerado. Potencial nuclear poço quadrado. Bloqueio de Pauli. Abordagem multicolisional. Ordenação temporal. Emissões de pré-equiĺıbrio. Termalização. Núcleo remanescente excitado (A, Z, E ). [RODRIGUES, 2005, MEDINA, 2014] Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

9 CRISP MCEF Modelo do processo competitivo evaporação-fissão (MCEF) Processo governado por eventos aleatórios com base nas probabilidades de emissão de partículas (prótons, nêutrons e alfas) e na de fissão. Continua enquanto houver energia suficiente para evaporar partículas ou até a fissão. Resíduo de spallation: desexcitação apenas por evaporação. Núcleo fissionante: características armazenadas para a simulação dos produtos de fissão. [ANDRADE-II, 2012] Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

10 CRISP MCEF K f = K 0a n Γ α Γ n = 2Eα E n Γ k P k = (1) Γ n + Γ p + Γ α + Γ f Γ { p = Ep exp 2 [(a pe p) 1/2 (a ne n) 1/2]} Γ n E n { exp 2 [(a αe α) 1/2 (a ne n) 1/2]} (2) Γ f Γ n = K f exp [ 2(a f E f ) 1/2 1 (4A 2/3 a f E n) E n = E B n { 2 [(a f E f ) 1/2 (a ne n) 1/2]} ] E p = E B p V p ; K 0 = ; 2m nr0 2 r0 2 = 1, 2 fm (3) E α = E B α V α E f = E B f (4) E: energia do núcleo; V p, V α: potenciais coulombianos. B n, B p, B α: energias de ligação; B f barreira de fissão de Nix. a n, a p, a α: fórmulas empíricas de Dostrovsky; a f = r f a n, r f dependente de Z 2 /A. [ANDRADE-II, 2012] Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

11 CRISP Multimode-Fission Modelo de produção de fragmentos de fissão (Multimode-Fission). Fissão (modelo da gota ĺıquida): o valor máximo do balanço entre as forças superficial e coulombiana de um núcleo deformado (modelo da gota ĺıquida) é a chamada barreira de fissão, que é a energia mínima para que a reação ocorra. [BOHR & WHEELER, 1939] Multimodos de fissão: cada nucĺıdeo possuiria uma sequência de barreiras de fissão acessíveis de acordo com sua deformação nuclear no momento da cisão; já o instante da ruptura, seria aleatório.[brosa et al., 1990] Para núcleos pesados, três modos de fissão são identificados: Simétrico (Superlong SL): 2 fragmentos idênticos (A S, Z S ), deformação alongada. Assimétrico I (Standard I S1): fragmento pesado (A H 1, Z H 1 ) e fragmento leve (A L 1, Z L 1 ), influência das camadas fechadas Z H 1 50 e NH Assimétrico II (Standard II S2): fragmento pesado (A H 2, Z H 2 ) e fragmento leve (A L 2, Z L 2 ), influência da camada deformada NH 2 = e Z H Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

12 CRISP Multimode Fission Curva de rendimento dos fragmentos de fissão do núcleo fissionante (A,Z) { [ Ki L σ(a, Z) = exp ( (A ) AL i ) 2 + K i H exp ( (A ) ] AH i ) 2 i=1,2 2πΓ L i 2(Γ L i )2 2πΓ H i 2(Γ H i ) 2 + K S exp ( (A A )} ) S) 2 1 (Z Zp)2 exp ( 2πΓS 2Γ 2 S 2πΓZ 2Γ 2 Z (5) Distribuição do número atômico mais provável: Z p = µ 1 + µ 2 A (6) Largura da distribuição de Z p : Γ Z = ν 1 + ν 2 A (7) Parâmetros livres (input): K H(L) i, Γ H(L) i, A H(L) i, K S, Γ S, µ 1, µ 2, ν 1, ν 2. [ANDRADE-II, 2012] Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

13 CRISP Multimode Fission Sorteio da massa do fragmento mais pesado A H para o i-ésimo modo, i = 1, 2, S: p(a) = p i exp [ (A A i) 2 ] 2πΓi 2Γ 2 ; p i = K i i i i K (8) i Sorteio do número atômico do fragmento mais pesado Z H : p(z) = 1 exp [ (Z Z p) 2 ] πγi Γ 2 i i (9) A energia de excitação do núcleo fissionante é dividido entre os dois fragmentos primários proporcionalmente à sua massa; o módulo de evaporação é chamado novamente para cada um deles e, quando não houver mais energia suficiente para evaporar partículas, o fragmento de fissão final é registrado. Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

14 Física de Reatores A interação de nêutrons com a matéria ocorre por: espalhamento elástico (n, n) emissão de partículas carregadas (n, p),(n, α) espalhamento inelástico (n, n ) emissão de nêutrons (n, xn) captura radioativa (n, γ) fissão (n, f ) Equação de transporte de nêutrons (Boltzmann): Balanço do número de nêutrons em um volume V e superfície S dependência com ( r, ˆΩ, E, t). Ganhos: fontes, espalhamento, entrando através de S. Perdas: absorção, espalhamento, saindo através de S. Fator de multiplicação de nêutrons k: k = número de nêutrons em uma geração número de nêutrons da geração anterior (10) Sistema pode ser crítico (k = 1), supercrítico (k > 1) ou subcrítico (k < 1). Quando se leva todos os fatores de materiais e geometria em consideração, fala-se em k efetivo (k eff ). Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

15 MCNPX Método Monte Carlo para transporte de radiação. Figura 1 : Transporte de nêutrons com MCNPX.[ROSSI, 2011] Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

16 Resultados Figura 2 : Distribuição da multiplicidade de nêutrons emitidos na reação p (1200 MeV) Pb e sua origem em escala logarítmica. Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

17 Resultados Figura 3 : Distribuição da energia cinética dos nêutrons evaporados durante a cascata intranuclear, em escala logarítmica, da reação p (1200 MeV) Pb. Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

18 Resultados Figura 4 : Distribuição da energia cinética dos nêutrons evaporados no processo competitivo evaporação-fissão, em escala logarítmica, da reação p (1200 MeV) Pb. Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

19 Resultados Figura 5 : Seção de choque da produção de resíduos de spallation da reação p (1200 MeV) Pb. A seção de choque total da reação de spallation encontrada foi de 1787,84 mb. (Experimental: 1723 mb [LERAY et al., 2002]) Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

20 Resultados Figura 6 : Seção de choque da produção de fragmentos de fissão em função da massa da reação p (1200 MeV) Pb. Seção de choque total σ f = 210 mb. Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

21 Resultados Quanto à distribuição angular, é possível observar na Figura 7, que, para os nêutrons da cascata, há uma predominância de ângulos fechados (média de 60 o ), enquanto que, para os nêutrons de spallation, a emissão de nêutrons é simétrica em relação ao valor médio de 90 o. Figura 7 : Distribuição angular dos nêutrons emitidos durante a cascata intranuclear (à esquerda) e na evaporação/fissão (à direita) da reação p (1200 MeV) Pb. Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

22 Resultados Figura 8 : Evolução dos isótopos de urânio presentes no combustível nuclear durante sua queima em um reator PWR por aproximadamente um ano (350 dias). Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

23 Resultados Figura 9 : Evolução dos isótopos de plutônio presentes no combustível nuclear durante sua queima em um reator PWR por aproximadamente um ano (350 dias). Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

24 Resultados Modelo 1: Geração de energia. Fonte (cilindro de altura e diâmetro de 1m) de chumbo ĺıquido. Emissão de nêutrons isotrópica com multiplicidade e energia determinadas na etapa anterior. Reator térmico, cujo combustível é o combustível nuclear queimado de um PWR (primeiro terço de troca). Resultado: ADS apenas como sistema de controle (acionamento do reator): a faixa de energia de operação do reator definida pelo pitch (combinação moderador-geometria-material). k eff < 0,95 gerando 200 MW elétrico. Aumento de elementos TRU: embora haja depleção mais efetiva do combustível, há produção de TRU. Possibilidade: ADS Intermediário como alternativa ao reprocessamento imediato do combustível a ser descartado por um reator comercial. (Modelo 2: minimização da produção de TRU/ciclo do tório.) Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

25 Resultados Plutônio: leve aumento do 239 Pu, mas tendência ao equiĺıbrio. Figura 10 : Evolução dos isótopos de plutônio presentes no combustível nuclear durante sua queima em um reator ADS térmico por aproximadamente um ano (350 dias). Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

26 Resultados Urânio: 238 U estável, 235 U consumido (3 casas), obviamente responsável pela potência, 234 U e 236 U aumentam. Figura 11 : Evolução dos isótopos de urânio presentes no combustível nuclear durante sua queima em um reator ADS térmico por aproximadamente um ano (350 dias). Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

27 Resultados Amerício: aumento considerável; diferença entre as taxas de crescimento atribuída a variações da seção de choque. Figura 12 : Evolução dos isótopos de amerício presentes no combustível nuclear durante sua queima em um reator ADS térmico por aproximadamente um ano (350 dias). Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

28 Referências NIFENECKER, H. et al. Basics of accelerator driven subcritical reactors. Nuc. Inst. Meth. in Phys. Res. A 3(463), DEPPMAN A., et al. Monte carlo calculation of fragment distributions in nuclear reactions. Sci. and Tech, of Nuc, Install., v2012, p.9, RODRIGUES, T.E. O modelo de cascata intranuclear MCMC e aplicações para o mecanismo do quase-dêuteron e a fotoprodução de pions em energias intermediárias e altas Tese Dout., USP, MEDINA, I.A.G. Estudos de processos a energias médias e altas pelo método Monte Carlo Tese Dout., USP, ANDRADE-II, E. Estudo da fissão induzida de núcleos pesados por fótons e prótons a energias intermediárias e altas via Monte Carlo Dis. Mest., USP, Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

29 Referências BOHR, N.; WHEELER, J.A. The Mechanism of Nuclear Fission Phys. Rev., 56(5), p , Sep BROSA, U.; GROSSMANN, S.; MÜLLER, A. Nuclear scission Phys. Rep., 197(4), p , ROSSI, P. C. R. Reações nucleares de alta energia ( Spallation ) e sua aplicação em cálculo de sistemas nucleares acionados por fonte Tese Dout., USP, LERAY et al. Spallation neutron production by 0.8, 1.2, and 1.6 GeV protons on various targets Phys. Rev. C, 65(4), p , Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

30 Obrigada! Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31

31 Apêndice A Equação de transporte de nêutrons (Boltzmann): 1 φ( r, E, ˆΩ, t) = ˆΩ φ( r, E, ˆΩ, t) Σ t( r, E, t)φ( r, E, ˆΩ, t)+ v(e) t + dω de Σ s( r, E E, ˆΩ ˆΩ, t)φ( r, E, ˆΩ, t)+ 4π 0 χ( r, E) + dω νσ f ( r, E, t)φ( r, E, ˆΩ, t+ 4π 4π + S( r, E, ˆΩ, t) 4π 0 CARLUCCIO, T. Implementação e qualificação de metodologia de cálculos neutrônicos em reatores subcríticos acionados por fontes externa de nêutrons e aplicações. Tese Dout., USP, (11) Paula Matuoka (IFUSP) Reações Nucleares & Reatores ADS 14 de outubro de / 31