Análisis neutrónico preliminar de un diseño de envoltura

Análisis neutrónico preliminar de un diseño de envoltura

Análisis neutrónico preliminar de un diseño de envoltura regeneradora de Li8 PbO 6 refrigerado
por helio para un reactor de fusión DEMO
I. Palermoa, J.M. Gómez-Ros a, G. Veredasa, J.P. Catalánb , F. Ogandob , J. Sanzb , L. Sedanoa
a
b
CIEMAT, Av. Complutense 22, E-28040 Madrid
UNED, Dept. of Nuclear Energy, c./ Juan del Rosal 12, E-28040 Madrid
Resumen: En este trabajo se ha realizado un análisis neutrónico preliminar de las propiedades de envoltura
regeneradora (breeding blanket) de plumbato de octalitio (Li8 PbO6 ) refrigerado por helio. El estudio se centra en
la optimización de la tasa de regeneración de tritio (TBR), la densidad de potencia y el factor de blindaje para
evaluar la viabilidad del diseño propuesto de acuerdo con los límites prescritos para la deposición de potencia en
las bobinas toroidales (TF coils). El interés del Li8 PbO6 como material regenerador de tritio se basa en su posible
capacidad para minimizar la cantidad de berilio necesaria y en la reducción del enriquecimiento de 6 Li requerido,
comparado con otras opciones para el diseño del módulo regenerador.
1. Introducción
El plumbato de octalitio (Li8 PbO 6 ) de alta densidad (baja porosidad) enriquecido en
6
Li
podría ser un candidato como material cerámico para una envoltura regeneradora (breeding blanket)
sólido debido a sus características:
1)
Posee la mayor cantidad estequiométrica de átomos de litio ,
2)
La multiplicación neutrónica en el plomo podría minimizar o incluso evitar la
necesidad de moderación y de multiplicación neutrónica extra proporcionada por el
berilio.
3)
Se ha observado una elevada difusividad de tritio en las muestras irradiadas [1-2] lo
cual implica unos tiempos de residencia en la cerámica muy bajos, con el consecuente
buen impacto en la seguridad y en la autosuficiencia en combustible.
La estabilidad del Li8 PbO 6 a altas temperaturas y bajo irradiación es parte de las recientes
actividades de I+D sobre materiales. El interés de los diseños de módulos regeneradores (blankets) de
Li8 PbO 6 refrigerados por helio está basado en su gran potencial para minimizar la cantidad de Berilio
requerida (que podría incluso suprimirse añadiendo grafito o compuestos de carbono como material
reflector) así como en la necesidad de un menor enr iquecimiento en
6
Li, comparado con otras
opciones de envolturas regeneradoras.
En este trabajo se ha estudiado un modelo de envoltura regeneradora considerando helio
como refrigerante primario y Li8 PbO 6 como material regenerador, simulando una fuente de neutrones
distribuida de acuerdo con la emisión del plasma en un reactor de fusión. Los objetivos de este estudio
son: 1) proporcionar una evaluación preliminar de las características neutrónicas esperadas para el
1
diseño de envoltura regeneradora basada en Li8 PbO 6 , en términos de tasa de regeneración de tritio
(TBR), amplificación de potencia y factor de blindaje y 2) confirmar la posible reducción de la
cantidad de berilillo requerida como multiplicador y el enriquecimiento en 6 Li.
Las características del diseño y el procedimiento de cálculo se describen en la Sección 2, los
resultados principales en la Sección 3 y las conclusiones y los desarrollos futuros en la Sección 4.
2. Diseño del modelo y procedimiento de cálculo
La Figura 1a muestra un sector de 30º del modelo de reactor considerado. Se trata de un
reactor del tipo helium-cooled pebble bed (HCPB) con Li8 PbO 6 como material regenerador para el que
se han utilizado las especificaciones descritas en los Estudios Conceptuales de las Plantas de Potencia
de la UE [3]. Los parámetros más importantes están enumerados en la Tabla 1.
Con anterioridad, se han usado distintos modelos simplificados para calcular magnitudes
escalares globales [4-6], requiriéndose la utilización de modelos tridimensionales (3D) realistas para
cálculos precisos, en particular para evitar la sobrestimación de los valores del TBR encontrada
cuando se usan modelos unidimensionales [7]. En el presente estudio se ha generado una versión 3D
simplificada del modelo de reactor para los cálculos neutrónicos preliminares (Fig. 1b) , conservando
la simetría toroidal y descomponiendo el modelo CAD original en secciones toroidales cuyo volumen
y composición se han establecido en correspondencia a los diferentes módulos del diseño detallado.
En particular, las bobinas de campo toroidal (TF) se han simulado de forma separada.
En la Fig 2 se muestra una sección radial-poloidal vertical del modelo simplificado. Tal
como se indica en la figura, la estructura radial desde la primera pared hasta las bobinas
superconductoras de campo toroidal (y su composición material en % volumen) es la siguiente :
recubrimiento (coating) de primera pared y segunda pared (2 cm, Eurofer 97), primer canal de
refrigeración (2 capas de 1.5 cm, Eurofer 97, separadas por una capa de 3 cm de He), cuarta pared, (1
cm, 95,6% Eurofer 97, 4,4% He), envoltura regeneradora (76 cm), blindaje (40 cm, 66% Eurofer, 34%
He), cámara de vacío (dos capas de 15 cm, 95.3% acero austenítico 316LN, 4.7% H2 O, separadas por
100 cm de vacío) y bobinas TF (50 cm, 96.5% acero austenítico, 3.5% He). La envoltura regeneradora
consiste de dos regiones (37 cm, 90% reproductor y multiplicador, 5.7% Eurofer y 4.3% He, cada una)
separadas por los canales de refrigeración intermedios (1 cm de He entre dos capas de 0.5 cm, 95.6 %
Eurofer 97, 4.4% He). La estructura de la envoltura para la optimización del TBR se discute en la
sección 3.1. Se ha establecido un espesor para el Blindaje de 40 cm para satisfacer los limites de
radiación para las bobinas de campo toroidal, tal como se describe en la sección 3.2.
Los cálc ulos neutrónicos se han realizado usando el código Monte Carlo MCNPX 2.6 [8] y
los datos de secciones eficaces de la librería ENDF/B-VII [9] para simular el transporte acoplado
neutrón/fotón y calcular los espectros de fluencia neutrónica, los perfiles de deposición de energía y la
producción de tritio. Se ha usado el programa MCAM [7,10] para convertir los modelos geométricos
CATIA/CAD en el formato utilizado por el código MCNPX. Así mismo, se ha creado una subr utina
2
externa para la fuente que permite muestrear la posición de los neutrones emitidos en acuerdo con la
distribución de densidad de la fuente de neutrones en un tokamak, que se puede escribir como [11,12]:
  a 2 
S ( a) = 1 −   
  a0  
P
(1)
donde a0 es el radio menor del plasma, P es el factor de pico de la fuente y a es el radio paramétrico de
las superficies de contorno del plasma (0 ≤ a ≤ a0 ).
3. Resultados
3.1. Tasa de regeneración de tritio (TBR)
La producción de Tritio en la envoltura se debe principalmente a las reacciones (n,t) y (n,n’t)
con los átomos de 6 Li y 7 Li, respectivamente [13]. El TBR se ha calculado mediante la convolución de
los datos de secciones eficaces ENDF/B-VII con el espectro de neutrones, realizada utilizando el
estimador modificado para la fluencia (F4/FM4 tally) de MCNPX.
Se ha calculado la producción de tritio a partir de reacción 6 Li(n,t) usando el numero de
reacción MT=105. Las reacciones de scattering inelástico 7 Li(n,n’t) tienen un umbral de energía por
encima de 3.15 MeV y se han tratado usando los números de reacción desde MT=52 a MT=72 [13].
Los valores de densidad para el regenerador de tritio y para el multiplicador de neutrones
usados en las simulaciones se muestran en la Tabla 2. Para ello se ha asumido un factor de
empaquetamiento del 75% (aproximadamente, la densidad de empaquetamiento más alta para esferas
de tamaño único). Además, se ha considerado un factor de sinterización de 80% para las bolas de
Li8 PbO 6 , resultando que el material tiene un 60% de la densidad teórica [1,14].
Se han simulado diferentes configuraciones sin el multiplicador de Be y con capas de Be de
espesor creciente situadas en la parte frontal de los módulos de la envoltura (hacia la región del
plasma, ver Figs. 2 y 3) considerando litio natural y dos valores diferentes de enriquecimie nto en 6 Li
(50%, 90%). Se han realizado simulaciones adicionales considerando diferentes proporciones de
multiplicador de neutrones (10% y 15% de Be) y de cerámica regeneradora de tritio en una capa
mixta. Tal como se muestra en el resumen de resultados de la Tabla 3, se han obtenido valores de TBR
de 1.07 para un enriquecimiento de l 50% en 6 Li y una capa de 4cm de Be, e igualmente en el caso de
un lecho de bolas mixto constituido por un 15% en fracción de volumen de Be y un 85% de material
reproductor. Se obtiene un valor aún más elevado (1.09) considerando una combinación de 4 cm Be +
6 cm Li8 PbO 6 + 3 cm Be (Fig. 3c).
Estos valores de TBR de 1.07 – 1.09, obtenidos excluyendo la región del divertor , son solo
ligeramente menores al valor de referencia 1.10 requerido para asegurar la auto-suficiencia de tritio
[15]. Teniendo en cuenta que aproximadamente el 15% de los neutrones de la fuente llegan en la
región del divertor, cabe esperar que dicho valor pueda alcanzarse con un modelo mas detallado.
3
Las distribuciones radiales del TBR en las capas de envoltura regeneradora para los casos
seleccionados (identificados como casos 1, 3 y 5 en la Tabla 3) están representadas en la Figura 4.
Como se puede observar, a pesar de que la multiplicación neutrónica en el Be incrementa localmente
la producción de tritio en las regiones más cercanas, el TBR global puede disminuir debido a la
reducción de Li8 PbO 6 disponible.
3.2. Energía depositada
Se ha calculado la distribución espacial de la densidad de potencia en cada componente
asumiendo un enriquecimiento del 50% en 6 Li en el Li8 PbO 6 y 4 cm de Be como multiplicador
neutrónico (Tabla 3, caso 3). La potencia depositada en los distintos elementos debida a neutrones y
fotones se muestra en la Tabla 4 y la deposición total de potencia asciende a 2840 MW. Estos valores
no incluyen la contribución del divertor que se ha estimado alrededor del 15%. De acuerdo con estos
valores y considerando 2760 MW para la potencia de la fuente de neutrones, el factor de amplificación
resultante sería de 1.20. Se obtienen valores parecidos, 2770 MW para la potencia total (exclu yendo el
divertor) y 1.18 para el factor de amplificación, cuando se considera una configuración en lecho de
bolas mixto al 85% en Li8 PbO 6 y al 15% en berilio (Tabla 3, caso 7). En los dos casos la fracción de
volumen de berilio es casi la misma.
El blindaje de las bobinas toroidales (TF coils) debido a los módulos de la envoltura, a la
cámara de vacío y a otros componentes parece ser suficiente para evitar el recalentamiento
(quenching) de las bobinas superconductoras. La Figura 5 presenta la distribución poloidal de la
densidad de potencia en la s bobinas toroidales (TF coil), para los dos casos descritos anteriormente.
Los valores más altos de densidad de potencia coinciden con la región media , tanto para la sección
interior como para la exterior. En ambos casos, los valores obtenidos son menores que el limite de de
5000 W/m3 , extrapolado para las condiciones de DEMO [16].
4. Conclusiones
Se ha realizado un análisis neutrónico preliminar basado en simulaciones con MCNPX
usando un modelo 3D para optimizar las capacidades del Li8 PbO 6 como regenerador de tritio bajo los
parámetros de diseño de un reactor HCPB. Los valores globales de TBR de 1.07 – 1.09, excluyendo
el divertor, indican la viabilidad del Li8 PbO 6 como material regenerador. De forma parecida a lo que
se ha encontrado para otras cerámicas [4], un enr iquecimiento en 6 Li del Li8 PbO 6 por encima del 50%
no incrementa el TBR debido a la contribución del 7 Li a la moderación neutrónica y a la producción de
tritio para neutrones con energías superiores a 3 MeV.
El plumbato de octalitio enriquecido en 6 Li presenta buenas propiedades de multiplicador
neutrónico/regenerador de tritio , las cuales permiten reducir la cantidad de Be requerida para la
multiplicación neutrónica. Esta cantidad podría reducirse aun mas o tal vez incluso suprimirse si se
incluyen materiales reflectores como grafito o C-CFC. En este momento se continúa trabajando en
4
dicha línea para definir la colocación del multiplicador neutrónico y del regenerador de tritio en un
modelo más detallado con el que evaluar además el daño por radiación.
Agradecimientos
Este trabajo ha sido financiado por el Proyecto Nacional Español sobre Tecnologías de
Envolturas Regeneradoras TECNO_FUS a través del programa CONSOLIDER-INGENIO 2010.
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TABLAS:
Tabla 1. Parámetros principales del reactor.
parametro
valor
potencia de fusión 3450 MW
n wall loading
2.25 MW/m2
radio mayor (R0 )
7.50 m
radio menor (a 0 )
3.00 m
elongación (κ)
1.9
triangularidad (δ0 ) 0.47
5
Tabla 1 (continuación). Parámetros principales del reactor.
parámetro
factor de pico (P)
valor
1.7
espesor envoltura regeneradora + blindaje 116 cm
pico en divertor
10 MW/m2
relación de aspecto
3.0
corriente de plasma
19 MA
Padd , Q
100 MW, 34
n/nG
1.5
β,βN
4.0, 5.4
fracción de bootstrap
0.63
q 95
4.5
Zeff
2.2
temperatura media (keV)
16
factor de pico de temperatura
1.5
densidad media (1020 m-3 )
1.2
factor de pico de densidad
0.5
Tabla 2. Densidad del Li8 PbO 6 y Be, según los factores de sinterizado y empaquetamiento.
densidad
densidad
factor de
factor de
material teórica
efectiva
sinterizado empaquetamiento
(g/cm3 )
(g/cm3 )
Li8 PbO 6 4.24
80%
75%
2.54
Be
1.848
100%
75%
1.39
Tabla 3. TBR calculado, excluyendo la contribución del divertor, para los diferentes modelos de
envoltura regeneradora (representados en la Figura 3), dependiendo del enriquecimiento en 6 Li.
tipo
1
2
3
4
5
6
7
8
distribución del Be
Li natural 50% 6 Li 90% 6 Li
en el envoltura regeneradora
sin Be
0.88
1.04
1.00
1 cm (a)
0.90
1.06
1.02
4 cm (a)
0.90
1.07
1.03
7 cm (a)
0.89
1.02
0.99
10 cm (a)
0.86
0.96
0.94
10% Be (b)
1.04
1.03
15% Be (b)
1.07
1.05
4cm+3cm (c)
1.09
-
6
Tabla 4. Calculo de la potencia depositada debida a neutrones y fotones.
potencia (MW)
element del reactor
recubrimiento + 2a pared
1er canal de refrigeración
4a pared
envoltura regeneradora
regenerador (1)
canal de refirgeración interm.
regenerador (2)
blindaje
TOTAL
neutrones fotones
total
8.55×101 3.21×102 4.07×102
8.59×101 3.82×102 4.68×102
2.01×101 8.67×101 1.07×102
1.42×103 3.11×102 1.73×103
1.08
4.35
5.42
9.49×101 1.71×101 1.12×102
0.49
4.19
4.68
1.71×103 1.13×103 2.84×103
FIGURAS:
a)
b)
Figura 1. a) Modelo para un sector (30º) generado mediante CATIA V5; b) modelo 3D simplificado,
utilizado para cálculos neutrónicos.
Figura 2. Sección radial-poloidal del modelo 3D simplificado que se muestra en la Figura 1b.
7
Figura 3. Distribución esquemática del material regenerador / multiplicador para calcular el TBR: a)
capa de berilio en la parte frontal; b) capa mixta regenerador y multiplicador; c) multiples capas de
regenerador y berilio.
Figura 4. Distribución radial del TBR en la envoltura regeneradora, considerando diferentes espesores
para la capa de berilio.
Figura 5. Distribución poloidal de la densidad de potencia en las bobinas toroidales (TF coils).
8