Laboratorium Radiometrii

Pawilon C-6, lokal 004 

 

   Niezbędnym elementem wdrożenia energetyki jądrowej (EJ) w Polsce jest wykształcenie kadry akademickiej, Obecnie prawie całkowicie brak ludzi mogących stanowić taką kadrę. Jej odtworzenie może być dokonane jedynie w oparciu o zakrojony na odpowiednią skalę program badań w dziedzinie EJ i pokrewnych.


Tematyka badań proponowana przez Katedrę Energetyki Jądrowej związana z funkcjonowaniem i wykorzystaniem LR będzie obejmowała następujące zagadnienia:

  • Zastosowanie podkrytycznych układów sterowanych akceleratorem lub reaktorem termojądrowym do transmutacji zużytego paliwa jądrowego
  • Prace z wykorzystaniem wyposażenia LR będą dotyczyły pomiarów radioaktywności wzbudzonej w próbkach materiałów.
    Chodzi tu o:
    • Materiały stosowane do budowy elementów urządzeń stanowiących zewnętrzne źródła neutronów sterujących mocą układu podkrytycznego, opartego na reakcji rozszczepienia. Tymi elementami są tarcza spalacyjna (dla układu sterowanego akceleratorem – ADS) i struktury reaktora termojądrowego (dla układu hybrydowego synteza – rozszczepienie).
    • Materiały pochodzące z przeróbki wypalonego w reaktorach paliwa jądrowego.
    • W przypadku materiałów konstrukcyjnych badania mają obejmować ich dwa rodzaje. 
    • Dla układów ADS odpowiedni projekt będzie polegał na następujących szczegółowych zadaniach
    • Wykonaniu pomiarów, z wykorzystaniem spektrometrów gamma w LR, bezwzględnych aktywności nuklidów rezydualnych utworzonych w tarczach spalacyjnych z różnych materiałów (W, Hg, Th) przez napromienianie wiązką protonów o znacznej energii (200÷1000 MeV). Takie możliwości istnieją m.in. w laboratoriach rosyjskich, z którymi jest nawiązana współpraca.
    • Wykonaniu obliczeń symulujących powstawanie radioaktywności w tarczach spalacyjnych.
    • Porównaniu aktywności radionuklidów zmierzonych i obliczonych.
    • Z kolei dla układów hybrydowych zadaniem takiego projektu badawczego będzie oszacowanie wydajności aktywacji neutronami o odpowiednim widmie materiałów w strefach reaktora termojądrowego poddanych działaniu strumieni neutronów o najwyższych gęstościach. Na tej podstawie można dalej określić wolumen powstałych nuklidów promieniotwórczych i ich sposób utylizacji. Do wiarygodnej oceny tych wielkości konieczne jest weryfikowanie obliczeń numerycznych eksperymentami (wykonalnymi w LR) z użyciem źródeł neutronów o odpowiednich widmach energetycznych oraz spektrometrów promieniowania emitowanego w rozpadach powstałych radionuklidów, głównie promieniowania gamma.

 

   Materiały z wypalonego paliwa zawierające aktynowce będą możliwe do uzyskania w ramach współpracy międzynarodowej. Ich zawartość w badanych próbkach może być oznaczona przy użyciu spektrometrii cząstek alfa i promieniowania gamma (dostępnej w LR) i skonfrontowana z wynikami obliczeń teoretycznych z użyciem kodu MCB. Takie porównanie będzie testem wiarygodności obliczeń.


Badania fizyki rdzenia wysokotemperaturowego reaktora gazowego IV generacji do wypalania plutonu i rzadkich aktynowców produkowanych w jądrowym cyklu paliwowym.


Reaktory IV generacji, o podwyższonych parametrach bezpieczeństwa i efektywności energetycznej, stanowią obecnie najbardziej rozwijaną dziedzinę w energetyce jądrowej. Wśród nich reaktory wysokotemperaturowe są szczególnie interesujące dla Polski ze względu na możliwość ich wykorzystania w ramach tzw. synergii węglowo-jądrowej. Interesującym zagadnieniem jest zbadanie czy mogą one być również przydatne do wypalania rozszczepialnych produktów przemian zachodzących w paliwie reaktorów II i III generacji (t.j. powstałych aktynowców). Tutaj również weryfikacja obliczeń efektywności wypalania kodem MCB powinna być skonfrontowana z odpowiednimi eksperymentami. Podobnie jak w przypadku układów podkrytycznych, będą one możliwe do skonfrontowania z wynikami pomiarów. Odpowiednie próbki uzyskane dzięki współpracy międzynarodowej, napromienione w reaktorze termicznym w warunkach dużych fluencji, będą poddane pomiarom z użyciem spektrometrów alfa i gamma (w LR).

 

Rozwój oraz zastosowania kodu MCB do obliczeń symulacyjnych transmutacji materiałów reaktorowych.

  Kod MCB zainicjowany i opracowany teoretycznie w obecnej Katedrze Energetyki Jądrowej (WEiP AGH) przez dr Jerzego Cetnara i rozwinięty we współpracy z Królewską Politechniką (KTH) w Sztokholmie, znalazł już uznanie w społeczności międzynarodowej energetyków jądrowych. Wymaga on jednak dalszego rozwoju, m.in. przez sprawdzanie dokładności wykonanych przy jego użyciu obliczeń transmutacji jądrowych. Przykładem zastosowania tego kodu są obliczenia efektywności wypalania aktynowców wspomniane w poprzednim punkcie. Istotne znaczenie będzie tu miała możliwość doświadczalnego sprawdzania wydajności prostych reakcji (o krótkich łańcuchach przemian: 1÷2 reakcje) możliwych do przeprowadzenia w LR przy użyciu posiadanych źródeł neutronów i spektrometrów. Dłuższe łańcuchy reakcji i rozpadów mogą być inicjowane tylko przy użyciu źródeł neutronów o dużej wydajności (dostępnych w Holandii /Petten/ lub we Francji /Grenoble/ reaktorów wysoko-strumieniowych) a napromienione próbki przesyłane do LR do wykonania pomiarów spektrometrycznych alfa i gamma.


Walidacja danych jądrowych do projektowania układów transmutacji, reaktorów rozszczepieniowych i reaktorów syntezy jądrowej.

 

    Doświadczenia zespołu KEJ zgromadzone w toku prowadzonych projektów m.in. Coordinated Research Project (CRP) “Analytical and Experimental Benchmark Analyses of Accelerator Driven Systems (ADS)”, Project title: Benchmark on the ADS target activation experiment, Contract No 13395/R0,17.XI.2005 – 4.II.2011. pokazują, że nadal wiarygodność danych jądrowych na wielu obszarach jest zdecydowanie niewystarczająca. W szczególności dotyczy to nieco mniej eksploatowanych zakresów energii neutronów, charakterystycznych dla sterowanych akceleratorem układów podkrytycznych do transmutacji nuklidów, czy  reaktorów syntezy jądrowej. Podniesienie jakości stosowanych bibliotek przekrojów czynnych może nastąpić w wyniku weryfikacji doświadczalnej w wykonanych, adekwatnych pomiarach. Możliwości tych dostarczy wyposażenie Laboratorium Radiometrii w tym:

  • Detektor HPGE koaksjalny o wydajności 100% z kompletnym torem spektrometrycznym INSPECTOR oraz oprogramowaniem GENIE 2000 Canberry czy detektor Si(Li) do pomiaru promieniowania X i niskich energii gamma z takim samym torem pomiarowym.
  • Lampowy impulsowy generator neutronów GENIE 16 GT firmy SODERN – do pomiarów dotyczących reaktorów syntezy jądrowej.

Stąd – program badawczy projektu przewiduje:

  • Napromienianie próbek różnych materiałów przy użyciu źródeł neutronów /zarówno izotopowych 241Am-Be i 252Cf jak i lampowego generatora neutronów/.
  • Pomiary aktywności wzbudzonych przy pomocy w/wym. detektorów γ.
  • Konfrontacja wyników obliczeń wykonanych przy wykorzystaniu walidowanych danych jądrowych z odnośnymi pomiarami. Wnioski.

 

Badanie własności torowego cyklu paliwowego

   Cykl paliwowy, w którym rolę materiału rodnego zamiast 238U pełni 232Th wytwarzający cenny 233U był od dawna obiektem badań i nieraz preferowanym wariantem (np. dla noblisty C.Rubbii). Odznacza się on fundamentalną zaletą jaką jest praktyczna nieobecność trans-plutonowców w cyklu i znikome ilości wytwarzanego plutonu. Kłopoty z paliwem zawierającym transplutonowce niedwuznacznie sugerują, że zamknięty cykl paliwowy Th-U będzie łatwiejszy w realizacji niż taki sam – U-Pu. Inną zaletą są wielkie globalne zasoby toru w złożach o dużych koncentracjach. Również wariant nieproliferacyjny cyklu jest osiągalny dzięki:

  • towarzyszącemu wytwarzanemu 233U izotopowi 232U /t.j. pośrednio – źródłu twardego  (2.6 MeV) promieniowania γ z 208Tl/;
  • drogą rozcieńczenia 233U w 238U, czyli ”psuciu” materiału rozszczepialnego.

 

Jednak wprowadzenie do cyklu tego izotopu cięższego o 6 neutronów od 232Th, musi skutkować pojawieniem się transplutonowców, co prawda, w ilości kilkakrotnie niższej niż w cyklu U-Pu. Jest więc oczywistym, że cykl ten też nie może być wolny od wad. Powstaje tym samym zapotrzebowanie na dokładniejsze rozpoznanie, w tym także doświadczalne własności tego cyklu. M.in. inspiruje do tego pozostająca w dyspozycji KEJ znacząca ilość tlenku toru (>200 kg), o charakterze unikatowym w skali międzynarodowej.

 

Stąd – z jej wykorzystaniem – można wiązać następujące badania eksperymentalne:

  • Napromienianie próbek różnych aktynowców (m.in. 238U, 235U, 237Np) w zestawie torowym przy użyciu źródeł neutronów /zarówno izotopowych 241Am-Be i 252Cf jak i lampowego generatora neutronów/.


(Zakłada się tu warianty zestawu o różnych widmach neutronów: twardym oraz o mniejszym lub większym stopniu spowolnienia).

  • Pomiary strumienia przy pomocy detektorów neutronów.
  • Pomiary aktywności wzbudzonych przy pomocy detektorów γ.
  • Konfrontacja wyników pomiarów i odnośnych obliczeń. Wnioski.