Расчетная модель для оценки влияния

УДК 621.311.25(06) Физико-технические проблемы ядерной энергетики
В.А. ЮФЕРЕВА
Научный руководитель А.Н. ШМЕЛЁВ
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ПРИМЕСЕЙ ЛЕГКИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА НЕЙТРОННЫЙ ФОН В
УРАНСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛАХ
Повышение нейтронного фона свежего топлива рассматривается как один из
методов внутренней защиты ядерных материалов в целях нераспространения.
Наличие в топливе легких примесей и источника альфа-частиц приводит к испусканию нейтронов за счет (α, n)-реакций. В работе оценивается влияние примесей
на радиационные характеристики свежего топлива.
Для расчета выхода нейтронов в (α,n)-реакциях применялась аналитическая модель, учитывающая зависимости сечений реакций и массовой
тормозной способности среды от энергии налетающей частицы. В качестве исходных данных использовались данные по массовой тормозной
способности в многокомпонентных средах, полученные при помощи программы SRIM [1], и сечения (α,n)-реакций из библиотек экспериментальных ядерных данных EXFOR и оцененных ядерных данных JENDL. Выход нейтронов на 1 альфа-частицу вычислялся по формуле:
J
Y  Na
j 1
j
Aj
E0

Bj
j
(E)
dE
,
 dE 
 

 d x  ср
где  j – массовая доля j-го материала в среде; A j – атомная масса j-го
материала в среде;  j – сечение (α,n) для j-го материала в среде;
 dE  – массовая тормозная способность среды; B – пороговая энерj
 

 d x  ср
гия (α,n)-реакции для j-го материала в среде
Для обоснования применимости модели была рассчитана средняя
длина полного пробега α-частицы с начальной энергией 5,3 МэВ (средняя
энергия α-частиц, испускаемых 232U). Полный пробег α-частицы в металлическом уране плотностью 19,05 г/см3 составил 0,992 мм. Также были
рассчитаны средние расстояния между атомами примесей в топливе.
Например, в металлическом уране расстояние между атомами фтора (F),
144
ISBN 978-5-7262-0883-1. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 1
УДК 621.311.25(06) Физико-технические проблемы ядерной энергетики
при его содержании в основном материале 1ppm-w, составило 0,12 мкм.
Подобные расчеты были проведены для большинства встречающихся в
свежем топливе изотопов легких примесей. Результаты показали, что,
согласно данным предприятий изготовителей, содержание примесей в
металлическом уране значительно превосходит минимальное количество
примесей, необходимое для того, чтобы на пробеге альфа-частицы (с учетом существования порога взаимодействия) было хотя бы 100 легких
ядер.
Рассмотрение в качестве источника альфа-частиц не только 232U, но и
всех продуктов цепочки его радиоактивного распада позволяет повысить
расчетные значения выхода нейтронов. В свежем топливе в отсутствии
источников подпитки 232U, его дочерние продукты не достигают равновесной концентрации и, следовательно, нейтронный фон топлива будет
постоянно изменяться. Анализ изменения нейтронного фона свежего топлива во времени в связи с изменением концентраций альфа-эмиттеров
позволит управлять радиационными характеристиками топлива и степенью его защищенности от несанкционированного использования.
Согласно данным из доклада Оппенгеймера по Манхэттенскому проекту [2, 3] нейтронный фон при интенсивности спонтанных делений 50
дел./г∙с более чем в 100 раз превышает допустимый уровень для создания ядерного взрывного устройства ствольного типа. Исходя из этого
критерия, было рассчитано количество легких примесей в металлическом
уране с обогащением 90% и 36%, которое позволит вывести эти материалы из области возможного применения в оружейных целях. Например,
для создания нейтронного фона удовлетворяющего отмеченному выше
критерию достаточно наличия в металлическом уране (обогащение 36%
по 235U) 10 ppm Be в сочетании с 1% 232U.
Дальнейший подход определения нейтронного фона реализован в программном комплексе Addnet, который позволяет вычислять выход
нейтронов в единице объема рассматриваемого материала.
Список литературы
1. http://www.srim.org.
2. Carson J. Mark Explosive properties of Reactor-Grade Plutonium // Science & Global Security, 1993, Vol.. 4 pp.111-128.
3. http://nuclear-weapons.nm.ru/usa/manhattan/manhattan.html.
ISBN 978-5-7262-0883-1. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 1
145