Naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) pomogą swoim francuskim kolegom ustalić precyzję obliczeń grzania promieniowaniem gamma w budowanym w Cadarache reaktorze badawczym Jules Horowitz Reaktor (JHR).

Badania są przykładem wspólnych działań podejmowanych w związku z podpisaną 9 grudnia 2011 r. umową określającą ramy współpracy między Commissariat á l'Energie Atomique ( CEA), francuską organizacją będącą europejskim liderem w dziedzinie badań, rozwoju i innowacji w zakresie energii jądrowej, a Narodowym Centrum Badań Jądrowych. Polska strona zaoferowała doświadczenie w badaniach w dziedzinie fizyki jądrowej i reaktorów wodnych dotyczących w szczególności zapewnienia bezpieczeństwa reaktorów, optymalizacji wydajności paliwa i rdzenia, poprawy efektywności cykli paliwowych i minimalizacji odpadów oraz zastosowań energii jądrowej w energetyce. Nad współpraca ze strony NCBJ czuwa profesor Jacek Jagielski.

Budynek reaktora Maria

Jednym z istotnych parametrów reaktora jądrowego jest ciepło generowane w dowolnym materiale umieszczonym w reaktorze. Za ilość powstającego w rdzeniu ciepła w przybliżeniu w 90% odpowiada promieniowanie neutronowe, pochodzące z rozszczepień, a w 10% promieniowanie gamma, którego źródłem oprócz rozszczepień, jest rozpad powstających jąder promieniotwórczych. Proporcja miedzy ciepłem generowanym przez neutrony, i promieniowanie gamma zmienia się na korzyść tego drugiego wraz z oddalaniem od centrum rdzenia. Dlatego tzw. ciepło gamma odgrywa istotną rolę przy projektowaniu rozmieszczenia instrumentów badawczych na peryferiach rdzenia. Ilość generowanego w ten sposób ciepła nie jest bagatelna. W reaktorze JHR w jednym gramie dowolnego materiału umieszczonego w silnym polu tego promieniowania może generować się ciepło z mocą nawet 18 W.

"Można sobie wyobrazić, że mały, 100 gramowy zasobnik generuje ciepło odpowiadające włączonemu żelazku. To ciepło będzie powodowało niekorzystny efekt podwyższenia temperatury w materiałach i urządzeniach pomiarowych znajdujących się na peryferiach rdzenia"- wyjaśnia zaangażowany w badania dr Krzysztof Pytel z Zakładu Techniki Reaktorów Badawczych NCBJ.

Podczas projektowania i eksploatacji reaktora ważną role odgrywają specjalne narzędzia - kody obliczeniowe, matematyczne programy pozwalające przewidywać przebieg zjawisk. Na ich podstawie uzyskuje się obraz transportu promieniowania w reaktorze. Uczeni z JHR używają francuskich kodów obliczeniowych, pozwalających badać transport promieniowania neutronowego i gamma. Wyniki swoich badań muszą zweryfikować eksperymentalnie w reaktorze - najlepiej podobnym do budowanego w Cadarache. NCBJ wychodzi naprzeciw tym potrzebom dając możliwość zweryfikowania kodów w polskim reaktorze. Jest to możliwe, ponieważ pomiędzy reaktorem MARIA a Jules Horowitz Reaktor istnieją uderzające podobieństwa. Paliwo do obydwu reaktorów ma rzadką konstrukcję typu rurowego, poza tym, pochodzi od tego samego producenta. Podobieństwa dotyczą również występowania w rdzeniu reaktora dużej ilości berylu, jako spowalniacza neutronów. W przypadku MARI beryl pełni funkcję moderatora, a w przypadku JHR - funkcję reflektora. Podczas eksperymentu GAMMA MAJOR poszukiwane będą miejsca o podobnej charakterystyce strumienia dla obydwu reaktorów.

Model raktora MARIA z w pełni odwzorowaną geometrią został stworzony w TRIPOLI4 (kod Monte Carlo) przez mgr inż. Mikołaja Tarchalskiego podczas pobytu w CEA Cadarache w ścisłej współpracy z zespołem prowadzącym obliczenia dla JHR. Wyniki obliczeń właśnie dla tego modelu będą porównywane z eksperymentem. W ramach współpracy NCBJ z CEA dzięki mgr inż. Małgorzacie Wróblewskiej wykonane zostały obliczenia składu elementów paliwowych na poszczególnych krokach wypaleniowych używając kolejnego francuskiego kodu (tym razem transportowego) APOLLO2. Całość jest na bieżąco weryfikowana obliczeniami w kodzie REBUS, WIMS-ANL i MCNP dzięki dr Zuzannie Marcinkowskiej oraz mgr Agnieszce Boettcher. Porównanie wartości strumieni neutronowych i gamma obliczonych w wybranych miejscach ze zmierzonymi za pomocą polskich i francuskich instrumentów to clou badań.

W tym celu w reaktorze MARIA przygotowano eksperyment. Na jego potrzeby w NCBJ w Świerku powstała specjalna wielodetektorowa sonda służąca do mierzenia promieniowania gamma i promieniowania neutronowego, wyposażona w polskie i francuskie instrumenty pomiarowe. Sonda wyposażona w kalorymetr gamma o nazwie KAROLINA, komorę jonizacyjną, termometr gamma, samozasilające się detektory służące do pomiaru gęstości strumienia neutronów, będzie umieszczana w różnych kanałach pionowych w rdzeniu reaktora MARIA.

Kalorymetr gamma KAROLINA wraz z teorią kalibracji oraz całym układem kalibracyjnym, odtwarzającym warunki hydrauliczne panujące w kanałach pionowych reaktora MARIA został zaprojektowany i wykonany w Zakładzie Techniki Reaktorów Badawczych NCBJ. Jest to nowy produkt, którego szczególną zaletą jest możliwość kalibracji pozareaktorowej, dzięki opracowanej przez dr. Krzysztofa Pytla metodologii kalibracji kalorymetru. Wstępne trójwymiarowe obliczenia cieplno-przepływowe kalorymetru KAROLINA wykonał zespół mgr. inż. Piotra Prusińskiego z Zakładu Energetyki NCBJ. Pozwoliły one potwierdzić pewne aspekty opracowanej teorii kalibracji. Trafność metody kalibracyjnej została ostatecznie potwierdzona przez mgr inż. Aleksandrę Luks, która wykonała obliczenia finalnej konstrukcji kalorymetru. Część analiz została zrealizowana przy wsparciu merytorycznym i technicznym zasobów klastra obliczeniowego Centrum Informatycznego Świerk. "Kończymy budowę dwóch kalorymetrów, jednego z rdzeniem aluminiowym, drugiego - grafitowym. Uprościliśmy też technikę ich wykonania. Nasze urządzenie jest zdecydowanie mniejsze i tańsze od dostarczonego przez stronę francuską. Mamy nadzieje, że jeśli KAROLINA będzie dobrze się spisywała, to stanie się naszym eksportowym detektorem"- mówi dr Krzysztof Pytel.

Na potrzeby wspólnych pomiarów przewidziano specjalny cykl pracy reaktora MARIA. W minionym tygodniu zakończył się pierwszy etap pomiarów, które przy udziale delegacji z Uniwersytetu Marsylskiego oraz instytutu CEA rozpoczęto 26 września br. w Świerku. Weryfikacji kodu TRIPOLI 4 w zakresie transportu promieniowania gamma przeprowadzona w reaktorze MARIA, którego konstrukcja jest bliska JHR pozwoli francuskim uczonym określić dokładność prowadzonych obliczeń dla tego reaktora. Pozytywnym efektem prowadzonych badań dla polskiej strony jest powstanie modelu reaktora MARIA, który w pełni odzwierciedla jego geometrię z zachowaniem wszystkich krzywizn i uwzględnieniem stożkowatości rdzenia. Pozwoli to już na etapie projektowania badań w naszym reaktorze przewidywać efekty, jakie uzyskamy napromieniając próbki. Ta wiedza pomoże lepiej dobrać materiały do eksperymentu, określić miejsce jego przeprowadzenia i czas trwania.

Źródło: Narodowe Centrum Badań Jądrowych w Świerku