logo_left header_right
     
 BME NTI > Munkatársak > Nagy Lajos > Kutatás

Szubkritikusság mérésére és hasadóanyagok kimutatására szolgáló módszerek elméleti és kísérleti vizsgálata

 

doktori kutatás

 

Szubkritikus állapotú nukleáris rendszerek (pl. leállított reaktorzóna, pihentető medence, üzemanyag tároló, stb.) reaktivitásának meghatározása alapvető biztonsági kérdés. A szokásos mérési eljárások - melyekkel általában garantálható a biztonságos szubkritikus állapot - nem minden esetben elegendőek, ezért a mélységi védelem elvének megfelelően célszerű ezeket a módszereket olyan módon továbbfejleszteni, hogy a biztonságos szubkritikusság ellenőrzésén túl a reaktivitás minél pontosabb meghatározására is alkalmasak legyenek és így az üzemeltetés szempontjából is hasznosítható információkat nyújtsanak. Az új generációs reaktorok fejlesztése szempontjából a kérdés a legnagyobb súllyal a gyorsítóval hajtott szubkritikus rendszereknél (Accelerator Driven System, ADS) merül fel, ahol a kritikus referenciaállapot hiánya miatt a reaktivitás monitorozásának új módszereit kell kidolgozni. Ezen a téren az utóbbi évtizedben több nemzetközi kísérleti program zajlott és zajlik, mint pl.  a belgiumi Molban a VENUS-F ólomtartalmú kritikus rendszeren végzett méréssorozat, amely a MYRRHA ólom-bizmut eutektikum hűtésű ADS megvalósítását készíti elő. A szubkritikusság vizsgálatára alkalmas módszerek egyben a hasadóanyagok kimutatása terén is alkalmazhatók, amely a biztosítéki ellenőrzés (safeguards) szempontjából bír kiemelkedő jelentőséggel. Ezen a területen szintén fontos, hogy a hasadóanyagok mennyiségét és minőségét minél pontosabban legyünk képesek meghatározni.

A doktori kutatás célkitűzése a reaktivitás meghatározására alkalmas módszerek – és azokon belül elsősorban neutronok számának sztochasztikus fluktuációján alapuló neutronzaj (zéró zaj) mérések – pontosságának és megbízhatóságának fejlesztése, valamint alkalmazhatóságuknak kiterjesztése, felhasználva a legújabb elméleti eredményeket, a megnövekedett számítástechnikai kapacitásokat és a mérésekhez rendelkezésre álló legkorszerűbb eszközöket. Ezek segítségével várhatóan az alábbi területeken érhető el jelentős előrelépés:

  • A neutronzajmérések megvalósításának határt szab, hogy magasabb neutronfluxus mellett a neutron detektálásra tipikusan alkalmazott hasadási kamrák már az ún. fluktuációs vagy Campbell-üzemmódban működnek. Az egyedi beütések ilyenkor már nem megkülönböztethetők, és az alkalmazott Campbell-technika a folytonos áramjel magasabb momentumaiból csak a beütésszám átlagértékének megállapítását teszi lehetővé, a hagyományos neutronzaj mérések elvégzését nem. Azonban a Chalmers Műszaki Egyetemen a hasadási kamrák sztochasztikus elméletének továbbfejlesztésével sikerült a közelmúltban megmutatni, hogy a reaktoros mérésekben a beütések közötti időtartam statisztikája elvben megkapható a Campbell-technika általánosításával, ami lehetőséget ad pl. a Rossi-alfa (autokorrelációs) mérés megvalósítására. Ilyen módszer kifejlesztéséhez a detektorjel eloszlásainak kísérleti vizsgálatára is szükség van, amely megvalósítható a BME Oktatóreaktorában FPGA-n alapuló digitális jelfeldolgozás segítségével.
  • Safeguards alkalmazásokban a legelterjedtebb módszer az úgynevezett „multiplicity counting”, ami a vizsgált mintából, a spontán hasadás és az azt követő, pillanatszerűnek tekinthető belső sokszorozás hatására multiplettekben kibocsátott neutronok számának eloszlásán, illetve első három faktoriális momentumának mérésén (szinglett, dublett és triplett detektálási intenzitás) alapul. A neutronzaj mérésekhez hasonlóan, ez a módszer is diszkrét impulzusdetektáláson alapszik, amelyben komoly nehézséget okoznak a holtidő effektusok, mivel pont az egy hasadásban keletkezett, időben egymáshoz közeli beütések detektálási hatásfokát rontják. A hasadási kamrák sztochasztikus elméletének kiterjesztése ezen a területen is áttörést jelenthet, mert lehetővé teszi a detektor áramjelének közvetlen felhasználásával a fenti momentumok becslését és így a holtidő effektusok kizárását. A módszer gyakorlatban való alkalmazhatóságához szükség van az elmélet igazolására további elméleti és szimulációs vizsgálatokkal, valamint a mérési körülmények optimalizálására és kísérleti igazolásra.
  • Az intenzív neutronforrások gyakran pulzált üzemmódban működnek, mint a BME NTI-nél beszerezni tervezett neutrongenerátor is. Az impulzusok közötti korrelációk jelentősen befolyásolják a zajmérések eredményét, amelyek kiértékelése így összetett függvények illesztését igényli, ami nehézkesebb és pontatlanabb. Alkalmas szűrési eljárás kidolgozásával azonban ez a probléma elkerülhető, amely lehetővé tenné a zajmérések hatékony alkalmazását ilyen források mellett is.
  • Valamennyi reaktivitásmérési módszerre jellemző, hogy addig szolgáltatnak megbízható eredményt, amíg a pontkinetikai közelítés érvényes, mélyebb szubkritikusság esetén azonban a detektor pozíciójától, típusától függően eltérő eredményt szolgáltathatnak. Ez az ún. magasabb módusok megjelenésével magyarázható. Elméleti és számításos úton is vizsgálni kell ezért a magasabb módusok hatását a mérésekre, az alapmódus meghatározásának módszereit és a magasabb módusok felhasználásának lehetőségét a reaktivitás becslésére. A számítási eredményeket kísérletekkel kell összevetni.
  • A számítási módszerek és lehetőségek fejlődésével az a gyakorlat alakult ki, hogy a különböző reaktivitás mérési módszerek számára a rendszer részletes modellje alapján korrekciós faktorokat határozunk meg az egyes detektorokra. Ezzel a megoldással viszont a mérési eredmény számítási bizonytalansággal is terhelt lesz. Fontos ezért a különböző módszerek érzékenységét vizsgálni a számítási bizonytalanságokra elméleti úton és a kísérleti és számítási eredmények összevetésével.