Изменения изотопного состава топливной сборки гибридного реактора с источником нейтронов на основе D-D-реакции в плазменном столбе (компьютерное моделирование длительного рабочего цикла)

Для изучения нейтронно-физических характеристик ториево-плутониевого топлива ранее нами была предложена установка, состоящая из подкритической сборки высокотемпературного ядерного реактора и источника дополнительных нейтронов в виде плазменного столба, пронизывающего эту сборку. Дополнительные нейтроны генерируются в результате реакции D-D-синтеза в этом столбе высокотемпературной плазмы, которая создается и удерживается в длинной магнитной ловушке. В статье представлены результаты компьютерного моделирования эволюции ядерного топлива в предложенной установке. Моделирование проводилось для параметров плазмы, при которых реакция D-D-синтеза дает суммарный выход N = 2 · 10¹⁶ нейтронов в секунду из плазменного столба внутри подкритической сборки длиной 3 м. Рассмотрены два варианта работы топливной сборки, отличающиеся содержанием плутония в исходном ториево-плутониевом топливе. В первом варианте исходная доля плутония составляет 4 %, что обеспечивает подкритическое состояние топливной сборки с эффективным коэффициентом размножения нейтронов k_ef = 0,95. Во втором варианте доля плутония повышена до 5 %, что позволяет иметь рабочее состояние сборки с k_ef = 0,99. Выбор таких величин процентного содержания плутония был сделан по результатам детального компьютерного моделирования основных нейтронно-физических процессов в активной зоне реактора. Эволюция изотопного состава топлива рассчитывалась за все время эксплуатации сборки – 3 000 дней. В процессе «горения» топлива при неизменном суммарном выходе нейтронов из плазменного столба было обнаружено уменьшение коэффициента размножения нейтронов и мощности процесса ядерного деления в активной зоне реактора с течением времени от начала рабочего цикла. Для компенсации этого снижения мощности установки рассчитано необходимое увеличение выхода нейтронов от плазменного источника. В статье приведены результаты моделирования и обсуждаются различные аспекты полученных решений.

Ключевые слова:
ториевая подкритическая сборка, источник термоядерных нейтронов, открытая магнитная ловушка, эволюция топливных компонентов
Благодарности:
Авторы выражают благодарность Д. В. Юрову за предоставление результатов компьютерного моделированияпо оптимизации параметров плазмы в длинной магнитной ловушке применительно к ее использованию в качестве источника дополнительных нейтронов в подкритической топливной сборке
УДК 621.039.5, 621.039.6, 533.9.07