Государственная корпорация «РОСАТОМ» ФГУП ГНЦ РФ-

Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского

Алексеев П.А., Ехлаков И.А.

Космическая ЯЭУ как источник излучений в космическое пространство

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

7-9 ноября 2012 г.

Космические ядерные энергетические установки

• Одним из основных направлений развития современной космической ядерной энергетики являются усовершенствованные ТРП типа «ТОПАЗ» мощностью в от десятков до сотен киловатт.

КЯЭУ типа «ТОПАЗ»

• В отличие от наземных ядерных реакторов, излучение космической ЯЭУ экранируется лишь для малого телесного угла, в котором располагаются радиационно-чувствительные элементы КА. В остальных направлениях активная зона и окружающая среда разделяются лишь слоем конструкционных элементов ЯЭУ толщиной несколько сантиметров, что существенно расширяет физику утечек реакторных излучений, способных оказывать влияние на другие космические аппараты и экологию космического пространства.

Физика утечек из отражателей КЯЭУ

• Утечка фотонов и нейтронов непосредственно из активной зоны КЯЭУ

• Утечка электронов из отражателей в результате ионизации бериллия.

• Образование электрон-позитронных пар • Выбивание ионов конструкционных материалов из

кристаллической решетки • Нейтронно-ядерные и фотоядерные реакции.

Пороги и структура сечений вышеперечисленных реакций были исследованы с помощью инструмента «калькулятор и графическая система для параметров атомных ядер и характеристик ядерных реакций и радиоактивных распадов» Центра Данных Фотоядерных Экспериментов НИИЯФ МГУ (Россия) и поисковой системы SIGMA Национального Центра Ядерных Данных Брукхэвенской Национальной Лаборатории (США) для корректного построения компьютерных моделей.

Расчетная модель

• С помощью программного комплекса MCNP рассчитывались утречки нейтронов, фотонов, электронов и их спектры, а также определялись энергетические, пространственные и угловые распределения нейтронов и фотонов у внутренней поверхности бокового и торцевого отражателя в соответствии с которыми облучались модели, построенные в GEANT4

Физические процессы, задействованные в расчете на GEANT4

• Для фотонов 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 ионов были подключены процессы многократного кулоновского рассеяния, ионизационных потерь, переноса через геометрию детектора и упругого и неупругого рассеяния адронов. Для описания упругого рассеяния применялась модель LElastic. Неупругое рассеяние описывалось моделью бинарных каскадов для легких ионов.

• Для нейтронов были подключены процессы упругого и неупругого рассеяния адронов и нейтронного захвата. Для описания упругого рассеяния нейтронов применялась модель G4NeutronHPElastic и пакет сечений G4NeutronHPElasticData. Для описания неупругого рассеяния нейтронов применялись модель G4NeutronHPInelastic и пакет сечений G4NeutronHPInelasticData. Процесс нейтронного захвата описывался моделью G4NeutronHPCapture и пакетом сечений G4NeutronHPCaptureData. Процесс деления ядер нейтронами не был включен в моделирование, так как отражатели состоят лишь из очень легких элементов, для которых деление невозможно.

Полученные результаты • Произведенные вычисления для ТРП типа «ТОПАЗ» дали оценки

удельных утечек (на 1 Вт тепловой мощности):

• 1.1∙1010 нейтронов в секунду, • 3.2∙1010 фотонов в секунду, • 2.3∙108 электронов в секунду, • 1.0∙107 позитронов в секунду, • 2.4∙104 альфа-частиц в секунду, • 3.4∙103 ядер 6He, • 1.3∙105 ядер 9Be, • 1∙10-1 протонов, • 5∙10-1 дейтронов, • 1.7∙100 тритонов, • 3∙10-1 ядер 7Li.

Спектры утечек

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!