Monte Carlo tekniği kullanılarak bir füzyon-fisyon hibrit reaktöründe bazı akışkan malzeme optimizasyonları için üç boyutlu nötronik hesaplamalar
Three-dimensional neutronic calculations for some fluid material optimizations in a fusion-fission hybrid reactor by using Monte Carlo method
Yazar: GÖKMEN ŞEKER
Danışman: DOÇ. DR. MEHTAP DÜZ
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering

Özet:
Bu çalışmada, APEX füzyon teknolojisinden yararlanılarak bir APEX hibrit reaktörü tasarlanmıştır. Tasarlanan APEX hibrit reaktöründe %10 UC2, %10 ThC2 ve %0.1-1 AmF3, %0.1-1 CmF3, %0.1-1 NpF4 ağır metali ile %89.9-89 Li20Sn80 eriyik tuz karışımından oluşan akışkan, Ferritic Steel (9Cr2WVTa) yapısal malzemesiyle, yansıtıcı (Reflektör) Berilyum kullanılmıştır.  Reaktörün ilk sıvı duvardaki nötron duvar yükü 10 MW/m2, ikinci sıvı duvar kalınlığı 50 cm ve füzyon gücünün 4000 MW değeri için tasarım yapılmıştır. Reaktörün üç boyutlu tasarımında ve ilgili bölgelerdeki nötronik hesaplamalarda MCNPX-2.7.0 Monte Carlo kodu ve ENDF/B-VIII.0 nükleer reaksiyon tesir kesiti kütüphanesi kullanılmıştır. 

Reaktörün ilk sıvı duvar, ikinci sıvı duvar, zırh bölgeleri için Nötron Akısı,  Trityum Üretim Oranı (TBR), Enerji Çoğaltma Faktörü (M), Isı Enerjisi, Fisyon Reaksiyon Sayısı ve Fisil Yakıt Üretimi hesaplandı. Reaktörün yapısal malzemesi olan çelik bölgesinde 30 tam güç yılında (FPY) radyasyon hasar parametreleri olan proton üretimi, döteryum üretimi, trityum üretimi, 3He üretimi, 4He ve DPA (atomların yer değiştirmesi) değerleri hesaplandı. 

Tasarlanan modelde ilk sıvı duvar, ikinci sıvı duvar ve zırh bölgelerinde seçilen akışkanlarda ağır metal oranı artırılıp eriyik tuz oranı düşürüldüğünde, Am ve Cm'lü akışkanlarda artığı, Np'lü akışkanda düştüğü gözlemlenmiştir. Trityumun kendi kendine yetebilmesi için gerekli olan şart TBR>1.1 ve termal güç için gerekli olan şart M>1.2, seçilen akışkanlar, yapısal malzeme ve yansıtıcı için sağlandığı görülmüştür. Çalışmada AmF3 ve NpF4 oranı artıkça TBR değerleri azalmış, azalmanın seçilen akışkanlarda Li oranı azaldığında TBR'nin azaldığı ve CmF3 oranı artıkça TBR değeri artmış olduğu gözlemlenmiştir. AmF3, CmF3 ve NpF4'un oranının artmasıyla gözlemlenen M ve ısı enerjisinin arttığı tespit edildi. Nötron akısı, depolanan ısı enerji, fisyon enerjisi ve fisyon reaksiyon sayısı değerlerinin plazmadan reaktörün dış bölgesine doğru üstel olarak azaldığı gözlemlenmiştir. Reaktörde (n,γ) reaksiyonunun fisil yakıt üretimi üzerinde etkili olduğu, 238U ve 232Th fertil malzemesinden 239Pu ve 233U fisil yakıtının üretildiği belirlendi. Yapısal malzemede nötronların (n,p), (n,d), (n,t), (n,3He), (n,4He), DPA reaksiyonları yaptığı ve radyasyon hasarına neden olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, an APEX hybrid reactor was designed using APEX fusion technology. In the designed APEX hybrid reactor 10% UC2, 10% ThC2 and fluid consisting of 0.1-1% AmF3, 0.1-1% CmF3, 0.1-1% NpF4 heavy metal with 89.9-89% Li20Sn80 molten salt mixture, Ferritic Steel (9Cr2WVTa) structural material, reflective Beryllium was used. The neutron wall load of the reactor at the first liquid wall was designed to be 10 MW/m2, the second liquid wall thickness was 50 cm, and the fusion power was 4000 MW. MCNPX-2.7.0 Monte Carlo code and ENDF/B-VIII.0 nuclear reaction cross-sectional library were used in the three-dimensional design of the reactor and in the neutronic calculations in the respective regions.

The Neutron Flux, Tritium Production Rate (TBR), Energy Multiplication Factor (M), Heat Energy, Fission Reaction Number and Fissile Fuel Production were calculated for first liquid wall, the second fluid wall, armor zones of the reactor. Proton production, deuterium production, tritium production, 3He production, 4He and DPA (displacement per atoms) values were calculated as the radiation damage parameters of 30 full power years (FPY) in the steel region which is the structural material of the reactor.

In the designed model, it was observed that when the ratio of heavy metal was increased in the fluids selected in the first liquid wall, second liquid wall and armor regions and the melt salt ratio was decreased, the increased in the Am and Cm fluids decreased in the Np fluid. The essential condition TBR> 1.1 for the self-sufficiency of tritium and the required condition M> 1.2 for the thermal power was provided for the selected fluids, the structural material and the reflector. In the study, TBR values decreased as the ratio of AmF3 and NpF4 increased, it was observed that when the decrease in the Li ratio in the selected fluids decreased, the TBR was decreased and the TBR value increased as the CmF3 ratio increased. The increase in the ratio of AmF3, CmF3 and NpF4 was observed M and heat energy increased. It was observed that the values of neutron flux, heat deposition energy, fission energy and fission reaction number decreased exponentially from the plasma to the outer region of the reactor. It was determined that the reaction in the reactor (n,γ) was effective on fissile fuel production and 239Pu and 233U fissile fuel were produced from 238U and 232Th fertile material. In the structural material of neutrons (n, p), (n, d), (n, t), (n, 3He), (n, 4He), DPA reactions were determined to cause radiation damage.