Поля излучения в неодномерных защитах термоядерных реакторов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

московский государственный шгсенерно-жичесшш институт

(технический университет)

На правах рукописи

¡ОТКИН Алексей Владимирович

поля излучении в неодш'ершх защитах термоядерных геакторов

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор:

Москва - 1994

Работа выполнена с Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете).

Научный руководитель:

кандидат технических наук,

доцент Сахаров В.К.

Официальные оппоненты:

С

-доктор физико-математических наук, профессор

-кандидат физико-математических наук, в.н.с.

Ведущая организация — ГосснйскиЛ научный

скиК институт", г. Москва.

Зашита состоится " ¿Ц " ллсс^ггущ 19Э4 года в "^часов30 мин на заседании специализированного совета K053.CQ.C6 в Московском государственном инженерно-физическом институте по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, дом 31, тел. 323-91-67.

Автореферат разослан января 1994 г.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МИФИ.'

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

УчекыМ секретарь

специализированного совета Л.Н.Гудков

Подписано в печать . > ' 1 Заказ ■ Тираж

Бродер Д.Л. Кочанов В.А. иеитр "Курчатов-

Типография 1И, Каширское шоссе, 31

Актуальность тепы. Развитие термоядерной энергетики относится с тем направлениям научно-технического прогресса, которые позволяют обеспечить глубокие качественные изменения в производительных силах общества. В настоящее время уясе решены многие физико-технические проблемы создания первых действующих термоядерных установок - токамаков. однако остается еще достаточно широкий круг теоретических и экспериментальных исследований, прежде чем будет введен в действие первый промышленный термоядерный реактор.

Обеспеченно издашоЯ радиационной защиты относится к разряду ключевых и до конца еше не решенных проблем конструирования термоядерных установок. • Обращение к этой проблеме требует практического решения целого ряда новых задач для физики зашиты. Особенно важное значение среди лих имеет расчет и оптимизация трехмерных реальных защит. Отличительной особенностью этой проблемы является наличие большого количества, характерных только для зашит ТЯР, разнообразных и геометрически сложных неодпородностэй в защитах болисой толщины (Т5-Я0 д.с.п.). Прострел высокоэнергетического нейтронного излучения плазмы через неоднородности блапкета и защиты токамаков приводит к локальному дополнптелному увеличешго поля излучения в :о2-ю'"> раз по сравнению с участками зашиты без г.содчородностей. Этот эффект приводит к следующим отрицательным последствиям:

1) интенсивной активации защитных материалов, что увеличивает биологическую дозу облучения персонала и затрудняет . доступ к реактору после его остановки;

2) радиационным повреждениям и повышенному тепловыделению в системах и узлах токамаков;

3) реакциям нейтронов с материалами защиты, которые дают высокий выход вторичного фотонного излучения. Вгбрччпое фотонное излучение значительно увеличивает тепловыделение пог.юязинур дозу в катушках тороидального магнитного поля и оказывает влияние на конструкта установки в целом.

Таким образом, влияние пеоднородностсП _ необходимо учитывать при оценке важнейч-их проектных критериев токамаков. Особенность:;) влияния неодпородностея из распределение поля излучения за защит!! является наличие возмущенного поля не только па выходе неоднородности, 'но и на .некотором расстоянии от ¡¡ее. Снижение

этого эффекта требует оптимизации геометрических параметров пэоднородностеИ и разработки локальных защит. Гаоаркты защиты при этом оказывают существенное слияние го экономические показатели установки.

Для решения такого рода задач могут сыть использованы два метода: метод дискретных ординат и метод Иоте-КаргЛ. Преимущество "метода дискретных ординат - .возможность получения решения в лобой точке фазового пространства, но поштки его применения в трехмерной геометрии и при наличии больших градиентов поля излучения встречаются с серьезными трудностями. Метод Монте-Карло аффективен при репепии задач переноса в трехмерной геометрии с некышоролиостягди, но требует специальных методик иеаналогового моделирования для получения достоверных оценок в задачах глубокого проникновения. Такие методики еще недостаточно разработаны и сле:шл в. применении. Исдиу тем специфика задач переноса в защитных конфигурациях ТЯР (сцепка возмущений поля, гетерогенность) затрудняет использование известных" методик, хорошо

зарекомендовавших себя в расчетах прострела излучения через неоднородности (например альбедной методики).

В• отечественной литературе практически отсутствует информация об исследованиях полей излучений в трехмерных геометриях ТЯР с учетом их возмущении неоднородности™. Основная причина этого -недостаточная разработанность современных программ, реализующих метод Монте-Карло, а тага;е константного обеспечения, обладающих достаточными возможностями для решения задач переноса в конструкциях ТЯР.

Поэтому задача создания и применения программно-константного комплекса, использующего метод Монте-Карло для исследования характеристик полей илдучений в трехмерной геометрии защит ТЯР с неодпородностями представляется важной и актуальной.

Особенностями задач расчета неодномерных защит ТЯР, определившими требования к соответствующему программному и константному обеспечению являются:

1. Тороидальная или цилиндрическая геометрия с разнообразными сложными неодпородностями.

2. Необходимость расчета возмущенного поля за защитой.

3. Геометрически сложный объемный источник нейтронов с тестким энергетическим спектром (до 14 МэВ).

4. кжтозктонпо слззлся-гет^ого+Ткзч структур сспкты.

5. • ь^гбхматость • уччтэ вкв&э зтсрач-юго Фотоптого далушяя ; ЛОгОЕЫО ЗДВХиПОГС'ЛН !! ЭПфГОЙ^еЛСШГС при сцэ'РЭТ просл'.гжж {ритчризв из папаши? кэт^тги.

6. В^зокап .-•3!чя кытрахс Цель гсйотп:

с 1 епенв -в еои.от:;-

1-ин:стгсли'! ■1 !.'оВ.

упругого и кеупругого

словчи.;;:, наноолое тнппчгмх

:••. опнсродпостс;,!.

лпя

• !! созлзиис расчетного чг.гг.тата г.г,я

К'лучогиЯ с -¡реяяр/ш оадтзх ТЯР с

развит.!:;- и 1!р'"Т|":-': нотолз Усч .-о-У-'рло.

в ПОДЛЛДМ ум тяр

340 Г,']'! С

I. позор и ач-чгг: ¡-::'».ч .у г та:.о: ох. г.ч-РззроОоп

пог-звосз

гппичпуч; кеслизроггаст;:,:!'.

3. 1'сс11зпс&2!!Г.? возтсдастс:!

зюлпгосон/п.ч; (':ото""'>:, оснсззи:'; к п; оценки характеристик полз-И ¡еоднородпостяпн с уеточ глубокого нрснзкпозекхя с какой;'» "ьноН "ркопдззсз отагкзти'.ос! о-; нзгр^огоотзз "о

4, Получение о::с1ь:;з:ичзской ¡'кСор :з;;ки о возмупзнчлх поло"

•¡гйтропкого излучении ■¡к^зчпзоч • ¡колкогопцо^т;."е защитах тяг.

0. Анализ со'ич ¡р: ¡о Л расчетной ингорчоуч!. сопзсюзчонхе ге с гезу-тлзточв расчетов групш гетс.з;..« .г.чя Сорнпроозч:::; :ско;:в;ипцнп по проекткросзгаи оаэдты.

Научн_эя новизна: В робсто впервые:

1. Из осчоьагага анализа литературных спрюлш:« эсювдое- расчетные ыэдоли типьчдах пссдпоролкостеП •¡окЗ'й'ссс.

2. На базе зарубежной программы кокзе-сс. реализована •шогогруппосэя программа №3-4 для . расчетов тре.чюрпчх ззшчг ¡'ЯР язшшлоговш-ш иетоязпи Монте-Карло. К послом;:::! этноснтся:

а) автоматическая генерация параметров весового о:.'::,: в геометрических зонах, осутестзляеная па основании фупктмП тенност.ч, получаемых в процессе полного расчета;

0) смзкеннэ дпшш пробега с цвпыз увеличения плотности л'олккс-епиП е&з'.зи иеошюродаости;

в) ■ ашспие направления рассеяния частицы в область чеол::оролнссти;

г) • спещеч;(з пространственного распределения плоского хточнхка для увеличен::;: взролтностк плгстя частиц в • игодпорол-

ность.

3. Из файлов еиор/в-лу создана библиотека нейтронных и фотонных сечений в точечном представлении . для .й^оцеяевоИ программы ыснр, реализующей метод Нонтё-Карло.

4. Исследованы возможности' применения вышеуказанных методик пеаналогового моделирования для расчетов характеристик полей нейтронного излучения в. трехмерных геометриях ТЯР с неоднородности™ с учетом глубокого проникновения.

5. Проведены расчеты полей нейтронного излучения в трехмерны? защитах ТЯР с основными расчетными моделями типичны? неоднородностей: каналов диагностики плазмы и канала инжекции; исследовано поведение возмущения нейтронного поля в зависимости от геометрических и энергетических характеристик ■ источнике термоядерных нейтронов, а тагае от геометрического Бида канала, положения и геометрических размеров его секций; рассчитапь характеристики нейтронного гголя в трехмерной геометрии установи ТСП с каналом диагностики плазмы; проведено сопоставление полученных результатов с результатами расчетов по другиг программам, другими методами.

Достоверность полученных результатов обосновываете!

сравнением с имеющимися в литературе данными экспериментальны; исследований и сопоставлением с расчетами по другим хорош< тестированным программам.

Практическая значимость. Разработанное программное 1 константное обеспечение поставлено в РНЦ "Курчатовский институт"- 1 используется для расчета переноса излучения в сложны; геометрических моделях ТЯР с. неоднородноетями. Полученные данньк по распределению полей нейтронного излучения могут быт! использованы при проектировании защит токанаков типа иен, ОТР, ! также при планировании экспериментов на установке ТСП.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Основные расчетные модели неоднородностей в защитах ТЯР

2. Разработанная па базе поезе-сс, программа РНЗ-4 дл: расчета полей излучений в трехмерных . геометриях ТЯР < неоднородностяни. . " -

3. Константное обеспечение для программы исир.

4. Исследованное поведение возмущения плотности поток быстрых нейтронов диагностическими каналами в железозодной защит

ТЯР в зависимости от геометрической формы источника, его энергетического распределения, расположения и геометрических размеров отдельных секций. Оцененные характеристики возмущения поля нейтронного излучения каналом инжекции в трехмерной геометрии установки iter. Характеристики нейтронного поля в трехмерной геометрии установки ТСП с [саналом диагностики плазмы.

5. Анализ использования методов уменьшения дисперсии для расчетов возмущения поля-; излучения в защитах ТЯР с неоднор'одностями.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 105 наименований. Общий объем диссертации, включая 27 иллюстраций и 15 таблиц, составляет 153 страницы. .

Содержание

В работе на основе анализа литературной информации по проектам термоядерных установок проведен обзор неоднородпостей. Выделены и описаны наиболее типичные и часто встречавшиеся неоднородности. С точки зрения размеров и по значимости воздействия на катушки магнитного поля и обстановку в реакторном, зале их можно разбить на четыре класса.

К основному (первому) классу относятся:

1) каналы интекции;

2) каналы дивертора;

3) каналы для антенн высокочастотного нагрева плззмы (ВЧ-нагрева);

4) каналы вакуумирования.

К младшему (второму) классу относятся:

1) диагностические каналы;

2) неоднородности бланкета.

К третьему классу, принадлежат конструкционные зазоры и щели между узлами реактора.

К четвертому классу относятся другие конструкционное неоднородности: трубопроводы охлаждения, встроенные катущкн, переходы между внутренней и внешней зашитой.

На основании указанной классификации определен'! характерные расчетные модели неоднородпостей.

Проведен анализ, имеющейся в литературе, расчетной информации

о прохождении нейтронного 'излучения в. 'трсхисршх • защитах- 7я? с неоднородчостямп. Сделан , выгод о топ, что в ' отечественной литературе недостаточно - полно ' рассмотрен:,! вопросы формирования ноля излучения с таких-, эашпгех- в рилу сяйбсй .разработанности соотвотсгвукиего ••• программного-, ' .и •-" • константного обершченпя, реализующего метод йопте-Каро. Отмечено, что экснартнйал&ная иЩоркопиа такого рода тога» ограничена. . •

На базе анализа расчетных методов, исполизуеьж для оценок характеристик полей Излучений"' в", пеэдиснерпых' защитах, -выбран метод решения поставленной задачи - метод Испте-Карло. ¿'казЗДы его особешюсти в расчетах, сознущепий • поля, в'носжых- неоднородности™ в защитах ТЯР. . -

Обзор методик, кеаналогового' моделирования, используемых для для решения задачи глубокого проникновения • При наличии нсоддароднэсхей, позвонил выявить трудности, ■ возникающие при их применении в расчетах практически важных задач.

Обоснован выбор базовых программ для расчетов - morse-cg и mcnp, намечены пути их совершенствования и модернизации, показана "необходимость разработки современного константного " обеспечения для расчетов защит ТЯР методом Монте-Е&рло.- Рассмотрены особенности этой задачи: непрерывное представление сечений по энергии, необходимость описания, высокой степени, анизотропий для нейтронов в области энергии 14 - ItoB, а также учета процесса генерации и переноса вторичного фотонного излучения.

Подчеркнута. ■ актуальность создания современного программно-константного комплекса расчетов защит тасаызкой. в трехмерной геометрии при наличии - нооднородностей и . проведения расчетных исследований возмущений полей • излучений неоднородностямн в защите ТЯР. .

В работе представлено описание программно-константного конилукеэ, разработанного . для расчетов методом Конте-лзрло трехмерных защит с кеоднородностями (рисЛ). Он включил в себя:•

о) созданную па базе модулей зарубежной программы i;op.sk-cg, глюгогрупгшую программу РЬЗ-4;

б.) константное обеспечение ■ для FH3-4 - библиотеки многогрупповых констант DLC-23 (cask) 'и EURLIE-tv;

ь) программу .mcnp, адаптированную для использования распределений но эквивалентному поверхностному терноллериову■

источнику, получаемых по программе ток;

г) 'разработанные для пеня оиэтпеш нейтронных и. фотоште: сечений, в точечном представлении, получекшо из файлов еш?/в~ху, данных Стор;0-Исрээля, дяшшх по функциям нексгерептпого россепгпя и Фэрм--{екторам атоыоз.

При подготовке ссчепиК исгтьзсЕзлчсь прогргют плот,

Д0П0ЛШГШЗЯ блоком АСЕПГ, ДЛЛ ПОДГОТОВКИ фСТОННЫХ библиотек с точечном представлении.

В расчетах использовались тэкле зарубежные данные из фзшк-?

Е!-ЮЬ-35.

РНЗ-4

источника

блок пеанзлог. моделирования

случайных

- модули -

I

¡юпвг.-са

---1г—

ксмо и; ;а тор. геемзтрчя

модернизация

блок Функций ценности

контр о/1. точка

сечений

оценок

о-ки констант:

ОьО-ЗЗ (САЛК) ЕИЯЫВ-ХУ

нснр

. б-кэ точеч:ш<-сечениГ.

-активационныо ■ к дозиметр, файл"-1

ЛСЕЕ-С-

Е1ЮГ/В-17 е™ь-85 Сторм-Псрзэль (С^ОТОПМ), козф-ты некогерзнтного ■ рассеяния

Рис. I Схема программно-константного комплекса

Представлены методики неаналогового ..моделирования, которые легли в основу модернизированных и создэщйх новйх алгоритмов. morse-cg. в модернизированном варианте mohse-cg получила название P1I3-4. ' •

Модернизировались блоки:

1. Блок источника включает1 в себя источники: точечный;

линейны!! в виде дуги окружности; цилиндрический объемный; тороидальный; плоский: прямоугольный' и дисковый, Распределение по источнику - равномерное: Угловые распределения по источнику: изотропное, ыонопапрзоланпос, косинусоидАльное - cosni>, комбинация изотропного и косиносуидзльпого распределений.

2. Блок неаналогосого• моделирования. Для • практической реализации оптимизации метода Копте-Карло необходима информация о' функциях ценности Функционала. Получение такой информации путем решения сопряженного уравнения ставит не менее сложные проблемы, чем решение прямого. Рекомендованы к применению методы, использующие информацию по ценности, полученную в процессе решения основного уравнения. Блок включает в себя алгоритм оценки таких функций ценности. На их основе строится процедура подготовки параметров расщепления и рулетки.

Блок включает в себя новые возможности:

I) смещение распределения источника по пространственной, угловой, энергетической переменной;

• 2) увеличение вероятности рассеяния частицы в область капала из точек столкновений;

3) смещение длины пробега частиц на основе экспоненциального преобразования с целью увеличения плотности столкновений вблизи канала;

4) растепление и рулетка на основе .функций -ценности.

Сохранены также экспоненциальное преобразование, смещение энергоугловой части ядра уравнения переноса, методика весовых окон базовой программа.

3. Блок оценок дополнен модифицированной локальной оценкой потока для случая расположения точечного детектора -в оптически плотной, среде, когда имеет место логарифмическая расходимость дисперсии. Включены тг;а;е оцешеи по пересечению поверхностей, оценка по пробегу. Блок дополнен оценками нерассепнного излучения изотропных источников, имеющихся в блоке источника.

4-, В программу также включен блок регистрации конечных и промежуточных результатов расчета на магнитную ленту (диск) и вывода их на АЦПУ.

Возможности блоков комбинаторной геометрии и сечений достаточны для решения поставленных задач и не модернизировались.

В качестве константного обеспечения для программы РНЗ--4 выбраны библиотеки многогрупповых констант сьс-гз (слвк) и

Описаны:

1. Возможности программы ксмр с учетом дополнений для моделирования геометрически сложных объемных источников излучения.

2. ^ Созданная для программы мсмр библиотека нейтронных и фотонных сечений в точечном представлении. Нейтронные сечения получены из файлов пшк/в-17, фотонные - из данных Сторма и Исраэля, а такте из литературной ииифсрмании по функциям некогерентного рассеяния и форм-факторов атомов.

Разработанный программно-константный комплекс и реализованные в нем методики пеаналогового моделирования тестировались на основе имеющихся экспериментальных _ данных и расчетных результатов, полученных по хорошо тестированным программам.

К их числу относятся:

1. Экспериментальные данные по прохождению нейтронов с энергией 14 МэВ через прямой капал в железной композиции (Ок-Ридажий эксперимент).

2. Расчеты возмущения, вносимого прямым каналом в распределение поля нейтроноз за железоводной зашитой по программе оот-з . 5 с. библиотекой на основе констант ухтаг-им-с.

Модели тестовых вариантов представлены на рис.2. Расчеты проводились по программам РНЗ-4 (с библиотеками пг.с-2 3 (слбк) и ештдв-ту) и исир (с сечениями из файлов к-юр/в-гу к е>ть-85).

Экспериментальные спектры получались при некоторой конечна; разрешении спектрометра. Дня учета этого эффекта расчетные энергетические распределения плотности потока обрабатывалась функциями отклика, имеющими вид распределения Гаусса.

В таблице I представлены значения для плотности потока • нейтронов с энергией выше 0.85 МэВ, полученное по РНЗ-4 с библиотеками -оьс-гз (сабк) и Еиныв-1у, а тают соответствующие экспериментальные значения, а - статистическая . погрешность

.г, И

Ш'ЧИ тглтга Ш I г . 0.57 н)

ЛДИП-ТЛОТ '. тыиосгм

НЕИ-ТРУКОВ

г, II

20

8 0%Ге + 20%Н20

130

О . ы

К о 1-

о> ■=1

Размеры в си

Рис.2 Расчетные геометрии тестовых вариантов: Ок-Ридаского эксперимента (а); капала в зселезоводной защите (б)

результатов расчета истодом Монте-Карло.

Таблица I

Плотность потока нейтронов (н/сн2-с) с энергией Е > 0.85 НэВ

Ок-Рида. эксперимент

Ф

1.60-5 4.4 З-С 4.65-7 1.93-7

РИЗ-4 с

оьс-23 (сабк)

Ф

2.01-5 6.51-6 4.55-7 1.05-7

5

15

17.

14

РНЗ-4' с

Ф

2.05-5 4.13-6 3.05-7 8.73-3

12

13

14 13

сг

Анализ данных показал, что расчетные и экспериментальные шотности потока нейтронов расходятся в пределах от 10 до- При

)тон расчетные результаты с разными библиотеками констант )зсходптся между собой примерно в таком ;;;е диапазоне для различных ю'текторов.' Результаты, 'полученные с dlc-зз (cask) несколько Еыше шалог№тых результатов, полученных с eurlib-iv.

Такое различие можно объяснить погрешностями используемых библиотек, констант. Они определяются:

1) отсутствием учета спектра термоядерного источника при :вертке констант библиотеки dlc-23 (cask); .

2) невысоким порядком приближения индикатрисы рассеяния (р3 зля dlc-23 и р5 для eurlib-iv), что приводит к неадекватному федставлению однократно рассеянной компоненты.

Для крайних детекторов существенным также становится неучет сомпонепты излучения, отраженного от стенок экспериментального >ала и защиты от тепловых нейтронов.

Время расчета составляло около 10 часов па ЭВМ EC-I06I для ¡арианта с библиотекой dlc-23 (cask) ■ и примерно 20 часов с

2urlib-iv.

В расчетах по программе mcnp использовались сечения, в точечном представлении, полученные из файлов endf/b-iv и нелогичные данные из файлов kjdl-85 Ок-Рштажой лаборатории.

В качестве примера на рис.3 приведены результаты расчетов ¡зйтронного излучения в Ок-Ршкском эксперименте по программе mcnp : библиотекой констант из (|айлов ehdf/b-iv. Для удобства федставлепия данные домнокшгсь на величину' Ю"п.

Для энергетических распределений плотностей потока нейтронов »счетные результаты расходились с экспериментальными не- более,чем ;а 20-30% для энергий менее 10 НэВ для всех детекторов и для всех )Иблиотек констант. Статистическая погрешность расчетных данных юстигала 5-8S для энергетических групп в диапазоне вьгао 10 Мэ8 и :0-30S - ниже 10 !йВ. '

• Для плотности потека нейтронов с энергией выщэ 650 кэЗ ¡татистическая погрешность составляла 1-7% в зависимости от гало:кени4 детектора.

По энергетическим распределениям плотности потека вторичных ;>отоно& расхождение с экспериментом составляло не более 2 раз для ¡ибл'лотеки ча основе kndl-85, и S-I0 раз для endf/b-xv во всем

Рис.3 Сравнение экспериментальных и расчетных, данных ге энергетическому распределению плотности потока быстрых нейтронов 1

Ок-Риджском эксперименте: - - эксперимент; — • — - расчет!

по меда с библиотекой констант из файлов ешг/в-ху: 1-4-детекторы.

энергетическом диапазоне. Значительное расхождение для результата с еиог/в-х\' объясняется недостаточно подробным представлением данных по сечениям генерации вторичных фотонов в этих файлах ^ особенностями процедуры их коррекции в программе. Статистическаг погрешность по энергетическому спектру составляла 5-10% для детектора I и 20-30% для детектора 4. По плотности потока статистическая погрешность составляла 2-10Х в зависимости от положения детектора.

Время расчета составляло порядка 30 часов на 1вм рс 386/307 для задачи с четырьмя детекторами при учете вторичного фотонного излучения.

Для энергетических распределений плотностей потока нейтронов расчетные результаты расходились с экспериментальными не более,чем на 20-305 для энергий менее 10 ИэС для всех детекторов и для всех

'н&гаютек. констант. Статистическая погрешность расчетных данных ¡ойадгала для энергетических групп в диапазоне силе 10 МэВ и

О-ЗОЙ - нит.е 10 МэВ.

■Для плотности потока нейтронов с энергией вышо 650 кэВ татистичеаал погрешность составляла 1-7?; в зависимости от оложенип. детектора.

По ' энергетически;! распределениям плотности потока вторичных отспов расхождение с экспериментом составляло- не оолее 2 раз' для кблиотики на ' основе емоь-з.5, и 8-10 раз для емок/в-ту во всем нергетическом диапазоне. Значительное расхождение для результатов

ег;1>г/в-1у обьясняется недостаточно подробным представлением анных - "ПО • "сечеиияи генерации вторичных фотонов в этих фз'Ллах и собенпортяни процедуры, их коррекции '. .в программе. Статпотическ.ая огресность '. по энергетическому спектру составляла 5-105 для етсктора'.-' I и '20-30й для детектора 4. По плотности потога татистичёскад погрешность составляла 2-10~о в зависимости от оложения детектора.

Время, расчета составляло порядка 30 - часов из 1вм рс ззб/зз7 пя задачи .с четырьмя детекторами при учете вторичного фотонного злучения.

В иелом обе программа и их константное обеспечение приемлемо пя нейтронных;расчетов аналогичных защит термоядерных установок.

Использование библиотеки оьс-гз (са.чк) присело .к некоторому нвышению расчетных результатов по сравнению с викь1в-1У, по )зволило вдвче • повысить эффективность . расчетов за счет ¡пользования меньшего числа групп.

Для высокоточных оценок вторичного фотонного излучения юбуются более корректные данные по сечениям генерации вторичного шитого излучения..:- и хорошо разработанные программы для ЭВМ с шьшии бистродейстгаеп. Этим условиям более удовлетворяет юграмма мсыр с сечениями из файлов егог..

Расчетная модель . железсводноП зашиты (80 об.Х - Ре и 20 об.Э н2о) с прямым' цилиндрическим каналом представлена на рис.26. итность ослабления ззгачты составляла порядка Ю5-Юб. доставлялись результаты расчетов по программам РНЗ-4 (оьс-гз), :и'р (птег/в-ту), .6от-з.5 (библиотека на .основе. уиамхн-с) . мечено, что плотность .потока нейтронов с энергией вьше 12 МэВ и I МэВ, расчитапная ' по'.. РНЗ-4 не отличается от данных искр в

пределах статистической погрешности (10-40«). Результаты расчетов методом Мопте-Кзрло превышают результаты расчетов по программе dot-3.5 на 20-4CS.

Лля оптимизации расчетов методом Монте-Карло тестовых моделеГ по программам РНЗ-4 и moni1 ь качестве основного применялся мето: весового окна с эмпирическим подбором параметров геометрического зонного разбиения. Использование других методов' (смещение углг рассеяния и пробега для увеличепиия плотности столкновений частит вблизи канала) оказалось не столь эффективным для таких задач. Применение автоматической генерации весовых окон затруднительно при больших кратпостях ослабления запиты- из-за сильны* статистических флуктуации.оценок функций ценности.

Использование весового окна в расчетах Ок-Риякскогс эксперимента (защита с кратностью ослабления порядка Ю2) позволило получить статистические погрешности поряпо 10-205 i менее для локальных оценок плотности потока быстры;-: нейтронов. Ото является на согодн;.!яикл день наиболее оптимальным результатом. Е расчетах зашит c. кратностью ослабления порядка Юь-Юб применение программно-расчетного комплекса при использовании вышеукозапоГ методики позволило получть характеристики нейтронного излучения, отличающиеся от тестовых значений не более чем на 30-40&, чте составляет статистическую погрешность результатов расчета методом Монте-Карло.

Результаты тестирования свидетельствуют о применимости разработанного программно-константного комплекса для анализа прохождения высокоэнергетических нейтронов через неоднокерпые зашиты ТЯР с кратностью ослабления порядка I05-I0G с возможной статистической погрешностью для плотности потока до 503. Для плотности потока вторичных фотонов возможная погрешность в практически важных задачах будет достигать 2-3 раз.

Разработанный программно-константный комплекс был применен для оценок характеристик полей нейтронного и вторичного фотонного излучения в трехмерных защитах ТЯР с типичными неоднородностями:

1) неоднородностями младшего класса - каналами диагностики (расчитывались по программе РЮ-4 с библиотекой dlc-23 (casi;));

2) неоднородностью основного класса - каналом ишхкторз (по mcnp с сечениями из файлов endf/b-iv);

3) полномасштабным каналом диагностики установки ТСП (токзмак

с. с!ймш 1эг1йшш волей) г по риз-4 с. М-С-23 (слзк) .

для ' опсток познувсний, егас!я;их нсоднорогносш:я в распредели»® характеристик поля за ¿т.лезовбдпой ззшлгсй, с ыли вкбрвга ' три наиболее. типичных диагностических *анзяов:

яря:*ой; ' с " охни;! изгибом секция под' утлой <*; с двумя изгибами секций под кря1Ш углем. Рсочот:?.» • геометрии каналов ирелксемж* на рис.4.

Исследовалось ычиишз с паду:!;!;,их факторов па возмущенно . коля иеНтропов, за соаягсЗ в диапазоне энергия сшо 0.1 ;»И:

1) геометрической фОрМЦ источников (дискового изотропного и точечного изотропного);

2) энергетического распределения источника (коиоэноргстичео-кге с зшрпжЗ 14 мзБ и ' распределение, игитируаке силстр «глучйкия, падающего на персу» стенку плазменной каперы токз;..?!«»};

3) геометрических размеров и рожхезния отдельных секции.

Отмечено, что использование методов расшеплзиия и рулзткн с

локзльпо.1 ошжой позволило получить значения плотности потока быстрых нейтронов для • точечного изотропного мснознергетического источника с статистической погрешностью 20~40£ в точках, удоиоииых от копала, и 10-20? в точках на выходе из канала. Расчетное врося одного варианта кзпзла составляло нри • этом 25-30 часов па ЕС-ГО31. ■Усложнение условий задачи (распределенный в' пространстве иди пемопсэнорготичсскиЯ ' источник приводило ' ¡с уволичени/) статистической погрешности в 1.5 раза при росте затрат машинного времен:! в 1.5 - 2 раза.

Основные результаты проведенных исследований сформулированы следующим ооразом: .

I. Точечный изотропный источник с энергией 14 НэВ.

Изменение. геометрических параметров секции, (размеров, углов сспртв.ешш) дм всех |юссно1рсш(ь'х -варианте/; • канонов ейяыю влияло на хзрактсрксг/ки поля нейтронов го-ько нз вылоде из последней секции калэш и оказывало ■ гораздо солее слабое влияние на характеристики поля з уизлзшяи ■ от оси последней секоин детекторах. 1зк дня лвухсекчионп-зго кэнзии усодичэиие длины первой секции (зно^ине 1 меняется с 20 кз "о сп) приводило к сп;ы:г;пл) п-гогности потека быстрых нийтрскоз па выходе в 2-5 раз (а » 10 -30°); для -рехс&кш'.опкого кэ|иля (I =» 10-20 см) - в 3-10 раз. Значен:-';! йотпости потока в удаленных детекторах менялись в

14 0 СИ

13 0 СМ

800б.%Го + 200б.%Н_0

Рис.4 Расчетные геометрии полых круглых цилиндрических каналов диагностики плазмы; 1-9 - детекторы: г= 0,+8,+13,+18,+23 см

пределах статистической погрешности.

При. длине 1 = 20 сн и 65 си для дзухсекноппого канала (^ для трехсекционного) плотность потока в удаленных детекторах изменялась одинаково в пределах 30-100 раз при изменении а от 0"до 30° (12 от О до 20 сн).

Такая закономерность объяснялась тем, что на выходе каналов поле формируется за счет компонент излучения рассеивающихся в областях сопряжения секций, а в удаленных детекторах за счет компонент, рассеянных в близких областях зашиты, которые ослабляют влияние канала.

2. Дисковый изотропный источник с энергией 14 !!эВ.

При малой длине первой секции канала (2,11 = 20 см) формирование плотности потока быстрых нейтронов в значительной степени определялось компонентой нотекэния. от источника через зашнту в ' последнюю . секцию канала. Поэтому изменение размеров второй секции 1., от 0 до 20 см приводило к изменению характеристик поля на выходе из последней секции каналов не более, чем в 2-3 раза, а в детекторах, удаленных от оси последней секции кзпзлов па выходе, характеристики поля существенно не менялись.

При увеличении длины I с 20 до 65 см для двухсекционных каналов величина плотности потока нейтронов в удаленных детекторах изменялась в пределах статистической погрешности. Для трехсекцонных каналов экологичное изменение длины 2 приводило к снижению плотности потока нейтронов до 10 рзз.

Отмечено, что для каналов с дисковым изотропным источником характерны те закономерности, что и для точечного изотропного с энергией 14 ¡ТэВ источника, по влияние положения и размеров секций сказывается слабее на поведении возмущений. В этом случае поле нейтронов формируется за счет большего числа; компонент, натекающих в детекторы через защиту.

Данные для дискового изотропного источника могут быть получены из да.чдах для точечного изотропного источника (с учетом перенормировки) только для отдельных вариантов каналов, когда неПтропы, вылетающие из области источника невидимой из канала, сказызают слабое влияние па распределение плотности потока быстрых нейтронов на выходе последней секции в силу сильного ослабления защитой (например.вариант б на рис.4 для а = 30°).

3. Точечный изотропный источник с непрерывным энергетическим

СПОКТрСП.

Oiiiovw, . чго полз нейтронного издучишм с тскторзх, ш ос:: поскидай шэш ьсех рассмотреть^ какал ж. j 'птся за счет ко.тлшгг» м:г.--л^г.гч:-: ш/оокозюргеточзскго !:::ii истошно! (с ооер: ;.л:;н близки:^: U МзЬ;, Оо-'ечоко, чго расчет:' Бозпуо:.:;^: xap^vepncTHK пс.г;: гопученхл лг^гьос; »venKia ;г: шнлгга требуют существенного рззвиткл ; еонопогооо m£to;,ol Менте-Карло до; ciia'Hnco.oxj; о снижения сг.'тосто.зскоП ¡пгрооюстн. ■

Роочегноя госотрия сеп'.сч'та jcioüorioi itot с локально!! ooooio:! прямого качала ir:oc/!:;::i смоо. близка к роп^ной. i'io.oo:оохооь о о.о^онз'сеыо:.'! ¡'^спрогллеппл плотности поте;::-v.-.'h ¡.-оно:- ü? катуоос п^гп:: гпогс 1ил;. При о топ р.оо:;.и; т

н«л п со'П.стсroyoooM окпозос;п!;"; : оьстг л:сст::,п га стенках кого;.:, оооо". r:a ::с'очноом (oriü в..он: v.a росчио'я по .

tos . Л'О] со'ьМ.оонои юоюооговзлол мл од весомого омн.

]°!ой подход позволил получить статистическую погрешность результатов расчета для оценок ¡то пересечению поверхностей и по пробегу - о-Г'Уг про зглрооох пененного времени 5-Ю часов на то:: рс

"Полученные результат:,: использовались в качестве тестовых дол расчетов лзшюИ задачи по программе dot в двумерной геометрии, выполненных в ГЩ "Курчатовский институт". Сравнение дало расхождение в различных то'йш катушек порядка 2-3 раз, что объясняется более точным описание:: условий задачи о трехмерно!! геометрии. Сделан вывод о прокмушсстве метода Монте-Карло при резании такого рода задач.

Расчетные исследования характеристик полоИ нейтронов и вторичных (¡огонов на установке ТСИ проводились с цолш определения возможнее той диагностики по нейтронному излучению,

выходящему через каналы диагностики и оценки радиационной обстановки в экспериментальном зале.

В , трехмерной расчетной геометрии установки ТСП были сохранены реальные размеры вакуумной камеры и горизонтального патрубка, но тороидальная геометрия заменена цилиндрической путем "разгибания" тора, разрезанного плоскостью, проходж-з.Ч вдоль ос;: патрубка, перпендикулярного его основанию. Реальной объемный источник оьш запенен линейным.

По Р(В-4 с dlc-23 (cask) с;ьши выполнены расчеты энергетических распределений плотности потока нейтронов и вторичных фотонов 'на стенках плазменной каперы и на выходе горизонтального диагностического патрубка для попоэнергетнче-ских линейных источников нейтронов с энергиями 14.I и 2.45 МэВ. Статистическая погрешность результатов расчетов полного потока при использовании весового окна с локальной оценкой потока для всех детекторов составила не более 102, по энергетическому спектру - до 30-40«. Расчетное время при этом составило СО-ЮО часов па EC-I06I.

Результаты, полученные по РНЗ-4, сопоставлялись ■ с аналогичными результатами, полученными по программе КАСКАД-1, предназначенной для решения уравнения переноса в двумерных геометриях с использованием схсм высокого порядка точности.

Из основе анализа результатов расчетных результатов сделаны следующие главные выводы:

1. В энергетическом дизпззопе вине Ю-3 ЕЛэВ плотность потока нейтронов, полученная методом Монте-Карло, примерно в 2 раза вше результатов по программе КАСКАД-I для всех детекторов, что является удовлетворительным результатом. В диапазоне ниже Ю-3 . МэВ метод Понте-Карло дает занижение в 5-3 раз, что приводит к соотвествущему занижению потоков вторичного фотонного излучения. Такое расхождение когтю объяснить различием в расчетных моделях, использовшшых в указанных программах. Дополнительную погрешность вносят сечения библиотеки dlc-23 (cask).- По полному потоку нейтронов внутри плазменной камеры результаты отличались но 20-30.?, а на выходе патрубка - до 2 раз.

2. Анализ влияния рассеянного излучения на диагностику нейтронного излучения, выполненный методом Монте-Карло подтвердил выводы, сделанные на основании расчетов приближенным и численным методами. А именно:

а) энергетические распределения плотности потока нейтронов и вторичных iJotohob па выходе патрубка по форме подобны аналогичным внутри плазменной камеры, что объясняется основным вкладом в полную плотность нейтронов и вторичных ротонов альбедноЯ компоненты излучения от поверхности вакуумной камеры, видимой из детектора. При этом изменение положения детектора на поверхности вакуумной камеры влияло на па энергетические распределения в

пределах статистической погрешности.

б) число упруго рассеянных нейтронов с Е > 12.21 НэВ па выходе пэтруока примерно ровно плотности нерассеяппых 14-мэвных нейтронов плазмы. Это приводит к размытию ыаксвеловского распределения нейтронов плазмы и затрудняет ее диагностику. Шал замедленных нейтронов (¡5=0.1-1.0 НэБ) в полный поток составлял до

Проведошшй анализ" -позволил сделать вывод о применимости разработанного программно-константного комплекса, реализующего метод Понте-Кэрдо для решения задач переноса излучений в сжшш геометриях ТЯГ с неоднородпостями, при проектировании защит установок типа iter и при планировании экспериментов па действующих термоядерных установках.

Основные результаты, выполнешюго в диссертэнионноП работе исследования,_nor.vj быть сформулированы следующим образом:

. I. Проведен оозор типичных иеоднородиостсй в защитах ТЯР с выделением характерных расчетных моделей.

2. На базе зарубежной программы morse-cg разработана программа FiB-4, которая включила в себя ряд модифицированных и вновь созданных программных модулей: источника, оценок, неаналогового моделирования, записи контрольной точки.

3. Программно реализованы в РНЗ-4 и апробированы для расчетов трехмерных зашит ТЯР с неоднородпостями с учетом глубокого проникновения методики пеаналогового моделирования Понте-Карло: автоматическая генерация параметров расщепления и рулетки на основании функций ценности, получаемых в, процессе решения прямого уравнения переноса; метод смещения длины пробега на основании экспоненциального преобразования для увеличения числа столкновений частиц вблизи неоднородности; метод смещения направления рассеяния частицы в область неоднородности; смещение пространственного распределения плоского источника для увеличения вероятности вылета частиц в неоднородность.

4. Для программы мснр создана библиотека нейтронных и фотонных сечений в точечном представлении.

5. Работоспособность выбранного для решения поставленных задач - программно-константного комплекса из базе программ РНЗ-4 и мснр подтверждена сравнением расчетных результатов с литературными экспериментальными ' данными и результатами расчетов по хорощо

тестированным программам.

6. Исследовано поведение возмущений, вносимых диагностическими каналами, в распределение плотности потока зыстрых нейтронов за железоволиой зашитой ТЯР в зависимости от:

о) геометрической формы источников (дискового изотропного и точечного изотропного);

б) энергетического распределения источника (мспозиергетичес-кое с энергией 14 МэВ и распределение, пмитирухжюе спектр излучения, падающего па первую стенку плазменной камеры токамака);

в) геометрических размеров и положения отдельных секций.

Сформулированы особенности поведения возмущений полей,

обусловленные меняющимися соотношениями многих компонент излучения в различных точках поля. Сделан вывод о необходимости совершенствования пеапалоговых методов Понте-Карло для получения более точных решений такого рода задач.

7. Проведено исследование возмущений, вносимых каналом инжекшш в распределение плотности потока нейтронов па катушках тороидального и полоилалыюго магнитного поля. Обнаружена погрешность результатов расчетов я -методом в приближенной двумерной .геометрии в 2-3 раза по сравнению с результатами расчетов методом Монте-Карло в трехмерной геометрии при статистической погрешности до 20,'с. Сделан вывод о преимуществе метода Копте-Карло при решении такого рода задач.

8. Проведено исследование характеристик поля нейтронного излучения в трехмерной геометрии установки ТСП с каналом диагностики плазмы. Данные результаты сопоставлены с результатами расчетов по программе, использующей численные методы. Обнаружено существенное расхождение между результатами в двумерной и трехмерной геометрии до 5-8 раз в энергетическом диапазоне ниже Ю-3 МэВ. Сделан вывод о существенном влиянии рассеянного в установке излучения на диагностику нейтронного излучения плазмы.

9. Предложено методика вссовых окон в качестве основной чегодики неапалогопого моделирования Монте-Карло для расчетов зозмушениИ, вносимых пеоднородностями в распределение характеристик поля нейтронов за зашитой ТЯР. Она позволила получить результаты с статистической погрешностью 30-40* для покэльноП оценки потока и до 5-20% для опенки по пересеченно поверхности в точках, экранированных массивом защиты с кратностью

ослабления I05-I06.

10. Результаты исследований настоящей работы могут быть использованы при проектировании радиационной зашиты установки iter и при планировании экспериментов на установке ТСП. Разработанный программно-константный комплекс применим для широкого круга расчетных исследований переноса излучений в трехмерных геометриях ТЯР с неоднородности!III.

Апробация работ и публикации. Основные результаты работ дгасладывалпсь на Пятой Всесоюзной научной конференции по зашито от ионизируэшнх излучений ядерно-технических' установок (г. Протвино, .1939 г.), на Сессии Международной рабочей группы iter (Гархинг, ФРГ, иапь-октябрь 1989 г.), на научном семинаре кафедры "Радиационная физика" Ш!ФП в марте 1333 г.

Результаты настоящей работы внедрены в практику 'расчетов радиационной зашиты в t.ilttil и FHH "Курчатовский институт".

Материалы диссертации опубликованы в следующих рэоотах:

1. Жиркин A.B., Сахаров В.К., Шаталов Г.Е. Прохождение нейтронного излучения от источника с энергией 14 НэВ через защиту

• из железа с неоднородностью. Вопросы атомной науки и техники, серия: Ядерные константы, выпуск 2, 1990 г.,с.124-128.

2. Характеристики нейтронных и фотонных полей установки ТСП. Препринт ПАЗ - 5047/7 - Н.,1990, 32 с. Авт: Гусев C.B., Жиркин A.B., Ковальчук В.Д., Рымаренко А.П., Сахаров В.К., Швецов .A.B.

3. Жиркин A.B., Сахаров В.К., Шаталов Г.Е. Поле нейтронного излучения за неодномерной зашитой ТЯР. Препринт НАЭ - 4992/8 -Н.,1990, 19 С.

4. Жиркин A.B. Программа РНЗ-4 для расчетов полей излучений в сло.шых неодномерпых защитах ТЯР. В кн.: Тезисы докладов 5-ой Всесоюзной научной конференции по зашите от ионизирующих излучений ядерно-технических установок. - Протвино: , ПФВЭ, 19-21 сентября 1989 г., с.39.

6. V.Sakharov, G.Shatalov, S.Zimin, A.Jirkin. Penetration Streaming Effects in Shielding. Report on ITER Blanket/Shield Work Session July 17 - August 10, 1989. ITER Work Site Garching, FRG. ITER-IL-BL-t-9-9, p.37-41. -

6. V.Sakharov, G.Shatalov, S.Zimin, A.Jirkin. Radiation Environment around Diagnostic Penetrations. Report ITER-IL-BL-4-9-9, 1989, p. 1-25.