Naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) pomogą swoim
francuskim kolegom ustalić precyzję obliczeń grzania promieniowaniem
gamma w budowanym w Cadarache reaktorze badawczym Jules Horowitz
Reaktor (JHR).
Badania są przykładem wspólnych działań podejmowanych w związku z podpisaną
9 grudnia 2011 r. umową określającą ramy współpracy między Commissariat á l'Energie
Atomique ( CEA), francuską organizacją będącą europejskim liderem w dziedzinie
badań, rozwoju i innowacji w zakresie energii jądrowej, a Narodowym Centrum Badań
Jądrowych. Polska strona zaoferowała doświadczenie w badaniach w dziedzinie fizyki
jądrowej i reaktorów wodnych dotyczących w szczególności zapewnienia bezpieczeństwa
reaktorów, optymalizacji wydajności paliwa i rdzenia, poprawy efektywności cykli paliwowych
i minimalizacji odpadów oraz zastosowań energii jądrowej w energetyce. Nad współpraca ze
strony NCBJ czuwa profesor Jacek Jagielski.
 Budynek reaktora Maria
Jednym z istotnych parametrów reaktora jądrowego jest ciepło generowane w dowolnym
materiale umieszczonym w reaktorze. Za ilość powstającego w rdzeniu ciepła w przybliżeniu
w 90% odpowiada promieniowanie neutronowe, pochodzące z rozszczepień, a w 10%
promieniowanie gamma, którego źródłem oprócz rozszczepień, jest rozpad powstających
jąder promieniotwórczych. Proporcja miedzy ciepłem generowanym przez neutrony,
i promieniowanie gamma zmienia się na korzyść tego drugiego wraz z oddalaniem od
centrum rdzenia. Dlatego tzw. ciepło gamma odgrywa istotną rolę przy projektowaniu
rozmieszczenia instrumentów badawczych na peryferiach rdzenia. Ilość generowanego
w ten sposób ciepła nie jest bagatelna. W reaktorze JHR w jednym gramie dowolnego
materiału umieszczonego w silnym polu tego promieniowania może generować się ciepło
z mocą nawet 18 W.
"Można sobie wyobrazić, że mały, 100 gramowy zasobnik generuje ciepło odpowiadające
włączonemu żelazku. To ciepło będzie powodowało niekorzystny efekt podwyższenia
temperatury w materiałach i urządzeniach pomiarowych znajdujących się na peryferiach
rdzenia"- wyjaśnia zaangażowany w badania dr Krzysztof Pytel z Zakładu Techniki
Reaktorów Badawczych NCBJ.
Podczas projektowania i eksploatacji reaktora ważną role odgrywają specjalne narzędzia -
kody obliczeniowe, matematyczne programy pozwalające przewidywać przebieg zjawisk.
Na ich podstawie uzyskuje się obraz transportu promieniowania w reaktorze. Uczeni z JHR
używają francuskich kodów obliczeniowych, pozwalających badać transport promieniowania
neutronowego i gamma. Wyniki swoich badań muszą zweryfikować eksperymentalnie
w reaktorze - najlepiej podobnym do budowanego w Cadarache. NCBJ wychodzi naprzeciw
tym potrzebom dając możliwość zweryfikowania kodów w polskim reaktorze. Jest to
możliwe, ponieważ pomiędzy reaktorem MARIA a Jules Horowitz Reaktor istnieją uderzające
podobieństwa. Paliwo do obydwu reaktorów ma rzadką konstrukcję typu rurowego, poza
tym, pochodzi od tego samego producenta. Podobieństwa dotyczą również występowania
w rdzeniu reaktora dużej ilości berylu, jako spowalniacza neutronów. W przypadku
MARI beryl pełni funkcję moderatora, a w przypadku JHR - funkcję reflektora. Podczas
eksperymentu GAMMA MAJOR poszukiwane będą miejsca o podobnej charakterystyce
strumienia dla obydwu reaktorów.
Model raktora MARIA z w pełni odwzorowaną geometrią został stworzony w TRIPOLI4 (kod
Monte Carlo) przez mgr inż. Mikołaja Tarchalskiego podczas pobytu w CEA Cadarache
w ścisłej współpracy z zespołem prowadzącym obliczenia dla JHR. Wyniki obliczeń właśnie
dla tego modelu będą porównywane z eksperymentem. W ramach współpracy NCBJ z CEA
dzięki mgr inż. Małgorzacie Wróblewskiej wykonane zostały obliczenia składu elementów
paliwowych na poszczególnych krokach wypaleniowych używając kolejnego francuskiego
kodu (tym razem transportowego) APOLLO2. Całość jest na bieżąco weryfikowana
obliczeniami w kodzie REBUS, WIMS-ANL i MCNP dzięki dr Zuzannie Marcinkowskiej
oraz mgr Agnieszce Boettcher. Porównanie wartości strumieni neutronowych i gamma
obliczonych w wybranych miejscach ze zmierzonymi za pomocą polskich i francuskich
instrumentów to clou badań.
W tym celu w reaktorze MARIA przygotowano eksperyment. Na jego potrzeby w
NCBJ w Świerku powstała specjalna wielodetektorowa sonda służąca do mierzenia
promieniowania gamma i promieniowania neutronowego, wyposażona w polskie i francuskie
instrumenty pomiarowe. Sonda wyposażona w kalorymetr gamma o nazwie KAROLINA,
komorę jonizacyjną, termometr gamma, samozasilające się detektory służące do pomiaru
gęstości strumienia neutronów, będzie umieszczana w różnych kanałach pionowych
w rdzeniu reaktora MARIA.
Kalorymetr gamma KAROLINA wraz z teorią kalibracji oraz całym układem kalibracyjnym,
odtwarzającym warunki hydrauliczne panujące w kanałach pionowych reaktora MARIA został
zaprojektowany i wykonany w Zakładzie Techniki Reaktorów Badawczych NCBJ. Jest to
nowy produkt, którego szczególną zaletą jest możliwość kalibracji pozareaktorowej, dzięki
opracowanej przez dr. Krzysztofa Pytla metodologii kalibracji kalorymetru.
Wstępne trójwymiarowe obliczenia cieplno-przepływowe kalorymetru KAROLINA wykonał
zespół mgr. inż. Piotra Prusińskiego z Zakładu Energetyki NCBJ. Pozwoliły one potwierdzić
pewne aspekty opracowanej teorii kalibracji. Trafność metody kalibracyjnej została
ostatecznie potwierdzona przez mgr inż. Aleksandrę Luks, która wykonała obliczenia finalnej
konstrukcji kalorymetru. Część analiz została zrealizowana przy wsparciu merytorycznym
i technicznym zasobów klastra obliczeniowego Centrum Informatycznego Świerk.
"Kończymy budowę dwóch kalorymetrów, jednego z rdzeniem aluminiowym, drugiego -
grafitowym. Uprościliśmy też technikę ich wykonania. Nasze urządzenie jest zdecydowanie
mniejsze i tańsze od dostarczonego przez stronę francuską. Mamy nadzieje, że jeśli
KAROLINA będzie dobrze się spisywała, to stanie się naszym eksportowym detektorem"-
mówi dr Krzysztof Pytel.
Na potrzeby wspólnych pomiarów przewidziano specjalny cykl pracy reaktora MARIA.
W minionym tygodniu zakończył się pierwszy etap pomiarów, które przy udziale delegacji
z Uniwersytetu Marsylskiego oraz instytutu CEA rozpoczęto 26 września br. w Świerku.
Weryfikacji kodu TRIPOLI 4 w zakresie transportu promieniowania gamma przeprowadzona
w reaktorze MARIA, którego konstrukcja jest bliska JHR pozwoli francuskim uczonym
określić dokładność prowadzonych obliczeń dla tego reaktora. Pozytywnym efektem
prowadzonych badań dla polskiej strony jest powstanie modelu reaktora MARIA, który w
pełni odzwierciedla jego geometrię z zachowaniem wszystkich krzywizn i uwzględnieniem
stożkowatości rdzenia. Pozwoli to już na etapie projektowania badań w naszym reaktorze
przewidywać efekty, jakie uzyskamy napromieniając próbki. Ta wiedza pomoże lepiej dobrać
materiały do eksperymentu, określić miejsce jego przeprowadzenia i czas trwania.
Źródło: Narodowe Centrum Badań Jądrowych w Świerku | 
