Государственная корпорация «РОСАТОМ» ФГУП ГНЦ РФ-

Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского

Алексеев П.А., Ехлаков И.А.

Исследование влияния космического излучения

на формирование внешнего источника нейтронов в КЯЭУ

ХI научно-техническая конференция «Молодежь в науке» г. Саров

7-9 ноября 2012 г.

Ядерная энергетика в космосе С 1970 по 1988 гг. СССР

осуществил 32 запуска на околоземные орбиты ЯЭУ типа «БУК» и 2 запуска ЯЭУ типа «ТОПАЗ» в составе аппаратов серии «Космос»

США осуществили единственный запуск ЯЭУ «SNAP-10А» в 1965 г.

В настоящее время отмечается возрождение интереса к ядерной энергетики в космосе.

Одним из главных направлений создания ЯЭУ второго поколения в России являются усовершенствованные ЯЭУ типа «ТОПАЗ»

КЯЭУ типа «ТОПАЗ»

Внешний источник нейтронов в КЯЭУ

КЯЭУ пребывает непрерывном взаимодействии с радиационными полями околоземного космического пространства.

Анализ физики взаимодействия космических лучей с конструкционными материалами КЯЭУ показал, что внешний источник формируется под действием (p,n) реакции протонов СКЛ на ядрах конструкционных материалов КЯЭУ

Радиационные поля ОКП

Первичные космические лучи Ионосферная плазма

Солнечные космические лучи

Галактические космические лучи

Первичные космические лучи Солнечные космические

лучи Галактические космические

лучи

Поток Во время солнечных вспышек может достигать ~ 106 см-2·с-1

~ 1 см-2·с-1

Состав

98-99% протоны, ~1.5% ядра гелия

Ядерная компонента: ~90% протонов, ~10% ядер гелия, ~1% более тяжелых

ядер Электроны (~1% от числа

ядер) Позитроны (~10% от числа

электронов) Антиадроны <1%

Диапазон энергий

105 - 1011 эВ 106 - 1021 эВ

Геометрия модели Расчеты проводились параллельно с применением

программных комплексов MCNPX и GEANT4, в которых были созданы трехмерные гетерогенные модели КЯЭУ. Они облучались источниками сферической, цилиндрической и плоской формы с энергетическими спектрами протонов СКЛ для высот 1000, 1200 и 1500 километров рассчитанными с

помощью программы AP-8.

Физическая модель в GEANT4 Кроме спектров, полученных с помощью программы AP-8,

ограниченных энергией в 400 МэВ, в расчете использовались их интерполяция до энергии 100 ГэВ и спектры, полученные с помощью программы CREME96 (Naval Research Laboratory), ограниченные той же энергией

Это требовалось для проверки применимости низкоэнергетичных спектров, рассчитанных на AP-8 и требовало включения в расчет дополнительного числа адронов и включения в моделирование процессов и моделей адрон-ядерного взаимодействия для высоких энергий.

Физика протонов

Для протонов были подключены процессы многократного кулоновского рассеяния, ионизационных потерь и упругого и неупругого рассеяния адронов. Для описания упругого рассеяния применялась модель LElastic и пакет сечений G4BGGNucleonElasticXS. Для описания неупругого рассеяния в диапазоне от 0 до 9.9 ГэВ применялась модель внутриядерных каскадов Бертини, в диапазоне 9.5 – 25 ГэВ – LEP, для энергий свыше 15 ГэВ – модель кварк-глюонных струн. Также при моделировании неупругого рассеяния протонов подключался пакет сечений G4BGGNucleonInelasticXS.

Для нейтронов были подключены процессы упругого и неупругого рассеяния адронов и нейтронного захвата. Для описания упругого рассеяния нейтронов до 20 МэВ применялась модель упругого рассеяния нейтронов высокой точности и пакет сечений G4NeutronHPElasticData. Для более высоких энергий применялась модель LElastic и пакеты сечений G4NeutronHPJENDLHEElasticData (20 - 3000 МэВ) и G4BGGNucleonElasticXS (20 – 100 ГэВ). Для описания неупругого рассеяния нейтронов для энергий до 20 МэВ применялись модель неупругого рассеяния нейтронов высокой точности и пакет сечений G4NeutronHPInelasticData. Для диапазона энергий от 20 МэВ до 9.9 ГэВ применялась модель внутриядерных каскадов Бертини и пакет сечений G4NeutronHPJENDLHEInelasticData (20 - 3000 МэВ), для энергий 9.5 – 25 ГэВ модель LEP, а для энергий свыше 15 ГэВ – модель кварк-глюонных струн и библиотека сечений G4BGGNucleonInelasticXS (20 - 100 ГэВ). Процесс нейтронного захвата до 20 МэВ описывался моделью нейтронного захвата высокой точности и пактом сечений G4NeutronHPCaptureData, и моделью LCapture для более высоких энергий.

Физика нейтронов

Для π+ и π- были подключены процессы многократного

кулоновского рассеяния, ионизационных потерь и упругого и неупругого рассеяния адронов. Для описания упругого рассеяния применялась модель LElastic. Для описания неупругого рассеяния в диапазоне от 0 до 9.9 ГэВ применялась модель внутриядерных каскадов Бертини, в диапазоне 9.5 – 25 ГэВ – LEP, для энергий свыше 15 ГэВ – модель кварк-глюонных струн. Также подключался пакет сечений G4PiNuclearCrossSection, содержащий данные по сечениям пион-ядерных реакций в диапазоне 0 – 1 ТэВ. Для π- дополнительно подключался процесс захвата в состоянии покоя.

Для K+ и K- были подключены процессы многократного кулоновского рассеяния, ионизационных потерь и упругого и неупругого рассеяния адронов. Для описания упругого рассеяния применялась модель LElastic. Для описания неупругого рассеяния в диапазоне от 0 до 25 ГэВ использовалась модель LEP, для энергий свыше 15 ГэВ – модель кварк-глюонных струн. Для K- дополнительно подключался процесс захвата в состоянии покоя.

Физика прочих адронов

Для гамма-излучения были подключены процессы комптоновского рассеяния, фотоэлектрического эффекта, процесса образования электрон-позитронных пар и фотоядерных реакций.

Для электронов и позитронов были подключены процессы многократного кулоновского рассеяния, ионизационных потерь, тормозного излучения и электроядерных взаимодействий. Для позитронов также подключался процесс позитронной аннигиляции.

Для μ- и μ+ были подключены процессы многократного кулоновского рассеяния, ионизационных потерь, тормозного излучения и образования электрон-позитронных пар и мю-захвата (для μ-).

Для τ- и τ+ были подключены процессы многократного кулоновского рассеяния и ионизационных потерь.

Физика гамма квантов и лептонов

Физика легких ионов

Для легких ионов: дейтронов, тритонов, ядер гелия-3 и альфа-частиц были подключены процессы многократного кулоновского рассеяния, ионизационных потерь и упругого и неупругого рассеяния адронов. Для описания упругого рассеяния применялась модель LElastic. Неупругое рассеяние в диапазоне 0 - 50 МэВ описывалось специальной моделью бинарного каскада, в диапазоне 50 – 3000 МэВ моделью квантовой молекулярной динамики (QMD), в диапазоне от 3 до 10 ГэВ моделью бинарных каскадов. Кроме того, были задействованы пакеты сечений Sihver (102 – 104 МэВ/нуклон), Shen (101 – 104 МэВ/нуклон), Tripathi (101 – 103 МэВ/нуклон)

Полученные результаты Результаты расчетов с применением программных

комплексов MCNPX и GEANT4 совпали с высокой точностью и дали оценки мощности внешнего источника нейтронов для орбиты высотой 1000 км (параметр МакИлвайна L=1.156) величину 3.3·105 н/с, для высоты 1200 км (L=1.188) 6.9·106 н/с, для высоты 1500 км (L=1.235) 1.7·107 н/с.

Таким образом, в период пуска в реактор будет поступать 105-107 нейтронов в секунду, что обязательно скажется на процессах происходящих в реакторе и должно быть учтено при его разработке.

Также было выяснено, что во время пика солнечной активности мощность внешнего источника нейтронов может вырасти дополнительно на два порядка, что необходимо учитывать при выборе времени запуска космического аппарата с КЯЭУ и непосредственно физического пуска реактора.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!