Potentiaalisten moderaattorimateriaalien kartoitus
Klén, Ilari (2023)
Kandidaatintyö
2023
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023031431663
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023031431663
Tiivistelmä
Tässä kandidaatintyössä selvitettiin neutronimoderaattorin perustoimintaperiaate sekä fysikaaliset ja taloudelliset ominaisuudet, jotka tekevät materiaalista hyvän neutronimoderaattorin. Tämän lisäksi työssä valittiin muutamat fysikaalisilta ominaisuuksiltaan lupaavat materiaalit ja arvioitiin niiden soveltuvuutta neutronien moderointiin termisissä ydinreaktoreissa.
Materiaalien arvioinnissa valikoiduille aineille laskettiin keskimääräinen logaritminen dekrementti ξ, makroskooppinen hidastusteho MSDP sekä moderaattorisuhde MR. Edellä lueteltujen arvojen lisäksi aineiden arvioinnissa käytettiin VTT:n kehittämää kolmiulotteista ja jatkuvaenergistä Monte-Carlo reaktorifysiikkakoodia nimeltä Serpent. Moderaattoriaineiden vertailua varten Serpent-ohjelmalla tarkasteltiin yksinkertaisen äärettömän reaktorin kasvutekijän muutoksia eri moderaattoriaineilla ja polttoaine-moderaattorisuhteilla.
Tuloksista huomattiin, että valituista aineista neutronien moderointiin sopivat parhaiten 9Be ja 11B. Taloudellisesti, suuntaa antava hintaluokka tavalliselle berylliumille ja boorille oli tutkittavien ja vertailtavien aineiden halvimmasta päästä sekä laskennassa mallinnetut beryllium- ja boorihidasteiset reaktorit olivat kokoluokaltaan samankaltaisia grafiittihidasteisen reaktorin kanssa. Huomattiin myös, että boorin käytölle moderaattoriaineena isotooppien erottaminen voi koitua kohtalokkaaksi. Sen sijaan berylliumille saattaisi löytyäsen keveytensä takia käyttökohde esimerkiksi avaruuteen laukaistavissa tutkimusreaktoreissa.
Materiaalien arvioinnissa valikoiduille aineille laskettiin keskimääräinen logaritminen dekrementti ξ, makroskooppinen hidastusteho MSDP sekä moderaattorisuhde MR. Edellä lueteltujen arvojen lisäksi aineiden arvioinnissa käytettiin VTT:n kehittämää kolmiulotteista ja jatkuvaenergistä Monte-Carlo reaktorifysiikkakoodia nimeltä Serpent. Moderaattoriaineiden vertailua varten Serpent-ohjelmalla tarkasteltiin yksinkertaisen äärettömän reaktorin kasvutekijän muutoksia eri moderaattoriaineilla ja polttoaine-moderaattorisuhteilla.
Tuloksista huomattiin, että valituista aineista neutronien moderointiin sopivat parhaiten 9Be ja 11B. Taloudellisesti, suuntaa antava hintaluokka tavalliselle berylliumille ja boorille oli tutkittavien ja vertailtavien aineiden halvimmasta päästä sekä laskennassa mallinnetut beryllium- ja boorihidasteiset reaktorit olivat kokoluokaltaan samankaltaisia grafiittihidasteisen reaktorin kanssa. Huomattiin myös, että boorin käytölle moderaattoriaineena isotooppien erottaminen voi koitua kohtalokkaaksi. Sen sijaan berylliumille saattaisi löytyäsen keveytensä takia käyttökohde esimerkiksi avaruuteen laukaistavissa tutkimusreaktoreissa.