2005 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2005
Santos, SP, Brazil, August 28 to September 2, 2005
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABEN
ISBN: 85-99141-01-5
AVALIAÇÃO DA INSERÇÃO CONJUNTA DE PLUTÔNIO E
ACTINÍDEOS MENORES EM HTR DO TIPO PBMR.
Atair S. de Sousa, Claubia Pereira, Maria Auxiliadora Fortini Veloso e Ricardo Brant
Pinheiro
Departamento de Engenharia nuclear – EE/UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Av. Antônio Carlos, 6627 – Campus da Pampulha – PCA 1
32270-901 Belo Horizonte, MG
[email protected]
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[email protected]
RESUMO
Baseado nas especificações do reator HTR desenvolvido por Rutten, e Haas [7] estudou-se a possibilidade de
inserção de actinídeos menores neste tipo de reator. Neste estudo, realizado com o código WIMSD5, foram
avaliados o fator de multiplicação e o coeficiente de reatividade de temperatura. Os resultados sugerem a
possibilidade de inserção real de actinídeos na composição do combustível.
1. INTRODUÇÃO
A utilização de HTR, com características tais como sistema de segurança, eficiência térmica e
eficiência na queima do plutônio, tem sido uma opção importante dentre os programas de
pesquisa em desenvolvimento para a queima de plutônio.
Neste trabalho, partindo das especificações do reator HTR desenvolvido por Rutten e Hass
[7], simulou-se um HTR do tipo PBMR que utiliza plutônio em sua composição, sendo 50%
de PuO2 e 50% de (HEU-Th)O2 – HEU - urânio altamente enriquecido (93%), utilizando o
código WIMSD5. O primeiro passo foi repetir o modelamento feito por Rutten e Hass. Em
seguida, nas esferas de PuO2, o plutônio foi substituído por uma mistura de Am, Np e Pu,
originário de um combustível irradiado em um PWR e resfriado por 5 anos. O objetivo é
avaliar a possibilidade de inserção destes actinídeos, sem comprometer os parâmetros
neutrônicos.
2. METODOLOGIA
Para simular o reator HTR desenvolvido por Rutten e Hass [7], cujas especificações estão
bem descritas no citado trabalho, tentou-se inicialmente utilizar a geometria esférica no
código WIMSD5. Entretanto, depois de diversos testes, verificou-se que esta geometria
apresentava problemas na execução que inviabilizavam a simulação. Como alternativa, foi
feita uma equivalência da esfera com o cilindro de forma que fossem mantidas as razões de
volume correspondentes a todos os materiais envolvidos. Os dados obtidos fora:
Volume do combustível (U-Th)O2
Vcomb = m / d = 20 x 10 – 3 m3 = 2.198 x 10 – 6 m3
9,1 x 10 3 kg/m3
Número de esferas (U – Th)O2: N = 359546 / 2 = 179773
Volume Total Combustível (U-Th)O2: V = 0,3951 m
3
Volume do combustível (PuO2)
Vcomb = m / d = 3,0 x 10 – 3 m3 = 2.88 x 10 – 7 m3
10,4 x 10 3 kg/m3
Número de esferas (PuO2): N = 359546 / 2 = 179773
Volume Total Combustível (PuO2): V = 0,05177 m
3
Volume Total Combustível:(50% de cada) V = 0,4469 m 3
Volume Total do Moderador:
A diferença entre o volume total da célula esférica e o volume total do
combustível é o valor do volume total do moderador:
Vm = 40,2167 m3.
Volume da célula (esférica)
Vcélula = VEsfera x número de esfera no núcleo = 1,13097 x 10 – 4 359546
Vcélula = 40,6636 m3
Para a obtenção da matriz de plutônio a ser utilizada na composição do PuO2, realizou-se uma
queima padrão de um reator PWR, resfriou-se o combustível por 5 anos e reprocessou-se este
combustível pela técnica PUREX, obtendo-se então o Pu necessária para fabricar o
combustível a ser inserido no HTR.
Para a inserção conjunta dos actinídeos Am, Np, e Pu repetiu-se o processo, só que desta vez
reprocessou-se todos juntos, considerando que foram recuperados 96% destes.
INAC 2005, Santos, SP, Brazil.
3. RESULTADOS
Nas Fig. 1 e 2 são apresentados os gráficos do fator de multiplicação em função da
temperatura para as composições (U-Th-Pu) e (U-Th-Pu-Am-Np) respectivamente. Nas
Tabelas 1 e 2 são apresentados os valores do coeficiente de reatividade de temperatura para a
composição inicial do combustível dos respectivos combustíveis.
Fator de Multiplicação x (T- T 0 )
0,9940
k eff
0,9935
0,9930
0,9925
25
0
15
0
50
-5
0
-1
50
-2
50
0,9920
(T-T0) (K)
T0 = 750 K
Figura 1. Comportamento do fator de multiplicação em
função da temperatura absoluta para a composição (U-Th –
Pu) O2.
Tabela 1. Valores do coeficiente de reatividade para a
composição inicial do combustível.
∆Tmf
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
INAC 2005, Santos, SP, Brazil.
keff
0.9936354
0,9934727
0,9932818
0,9929996
0,9928796
0,9927244
0,9926665
0,9923697
0,9923580
0,9922336
0,9920260
αTfm
- 0,3694
- 0,3794
- 0,3768
- 0.2792
- 0,3149
----------- 0,1175
- 0,3600
- 0,2479
- 0,2491
- 0,2837
Fator de Multiplicação x (T-T0)
1,0010
k eff
1,0005
1,0000
0,9995
0
25
0
15
50
0
-5
50
-1
-2
50
0,9990
(T-T0) (K)
T0 = 750K
Figura 2. Comportamento do fator de multiplicação em
função da temperatura absoluta para a composição (U-Th –
Pu) O2 com a inserção de actinídeos menores (Am, Np).
Tabela 2- Valores do coeficiente de reatividade com a inserção de
actinídeos menores na composição inicial do combustível.
∆Tmf
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
keff
1.0008190
1.0007930
1.0006920
1.0004710
1.0002110
1.0001900
1.0000030
0,9999196
0,9997212
0,9996936
0,9995459
αTfm
- 0,2513
- 0,3012
- 0, 3344
- 0,2808
- 0,0419
------------ 0,3739
- 0,2703
- 0,3126
- 0,2482
- 0,2582
3. CONCLUSÃO
Os aspectos avaliados da composição inicial do combustível sugerem a possibilidade de
inserção conjunta de plutônio e actinídeos menores em HTR. O comportamento do fator de
multiplicação durante a queima, tanto na composição padrão (PuO2) quanto com a inserção
de actinídeos menores, foi dentro do esperado. Novas composições de combustíveis poderão
ser utilizadas em futuras simulações. O próximo passo é avaliar a variação destes parâmetros
e da composição ao longo da queima. O objetivo principal é verificar se a integridade dos
parâmetros neutrônicos é mantida durante a queima, e se existe realmente ganho quanto à
composição final do combustível, ou seja, se existe queima efetiva de plutônio e actinídeos
menores.
INAC 2005, Santos, SP, Brazil.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao CNPq e à CAPES que direta ou indiretamente contribuíram
para a realização deste trabalho.
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INAC 2005, Santos, SP, Brazil.