Надповільне хвильове нейтронно-ядерне горіння на надтеплових нейтронах і режими із загостренням в уран-плутонієвому середовищі

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук спеціальністю 01.04.16 - фізика ядра, елементарних частинок і високих енер- гій. - Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2015. Дисертацію присвячено визначенню умов існування хвильового нейтронно- ядерного горіння на надтеплових нейтронах і режимів із загостренням в уран- плутонієвому середовищі. Сформульовано загальний критерій для існування хвильових режимів нейт- ронно-ядерного горіння як для хвилі Ахієзера, так й для хвилі Феоктистова, і по- казано, що для середовища з урану 238 можливо існування хвильового ядерного горіння не тільки на швидких, але й на холодних, надтеплових і резонансних ней- тронах. На підставі результатів дослідження виконання критерію Феоктистова для середовища з урану-238 зі збагаченням по урану-235, що відповідає підкритично- му стану, показано можливість існування режиму повільного хвильового нейтрон- но-ядерного горіння уран-плутонієвих середовищ в області холодних, теплових, надтеплових і резонансних нейтронів. Показано можливість хвильового нейтронно-ядерного повільного горіння природного урану в надтепловій області енергій нейтронів (1,0-7,0 еВ). Показано можливість створення хвильового ядерного реактора на теплових нейтронах з ядерним паливом із природного урану та урану-238 з різним ступенем збагачення по урану-235. Виявлено і теоретично обгрунтовано резонансний харак- тер залежності усереднених за нейтронними спектрами перерізів основних ядер- них реакцій (поділу і радіаційного захвату) в реакторі від температури ядерного палива. Отримано залежності щільності теплового джерела для уран-плутонієвого середовища і доведено існування режимів із загостренням Курдюмова. Виявлено нестаціонарні дисипативні теплові 3d структури в уран- плутонієвому середовищі і показано можливість існування режимів із загострен- ням для всіх відомих видів реакторного ядерного палива з урахуванням їх теплофізичних властивостей. Виявлено і пояснено принципову відмінність температурних залежностей щільностей теплових джерел для МОКС-палива та оксидного уранового палива, що дозволило виявити й обґрунтувати характерні риси аварії на 3-му блоці АЕС «Фукусіма-1».

Thesis for candidate's degree of physical and mathematical sciences by speciality 01.04.16 - nuclear and elementary particles physics and high energy physics.  Odessa National Polytechnic University, Odessa, 2015. Dissertation is devoted to determination of conditions of the wave neutron-nuclear burning existence under epithermal neutrons and modes with peaking in a uraniumplutonium fissile environment. A general criterion for existence of the wave modes of the neutron-nuclear burning both for the Akhiezer wave and for the Feoktistov wave is formulated, and possibly existence of the wave nuclear burning in the uranium-238 environment not only under fast but also under cold, epithermal and resonance neutrons is shown. Based on research results of the Feoktistov criterion fulfillment for the uranium- 238 environment, whose enrichment by uranium-235 corresponds to subcritical state, possibility of existence of the slow wave neutron-nuclear burning in a uraniumplutonium environments in energy area of cold, thermal, epithermal and resonance neutrons is shown. Possibility of the wave neutron-nuclear slow burning in natural-uranium in the energy area of epithermal neutrons (1,0-7,0 eV) is shown. Possibility of the thermal neutron wave reactor development for a natural-uranium nuclear fuel is shown. Resonant properties of dependence of neutron-spectrum-averaged cross-sections for main nuclear reactor reactions (fission and radiation capture) on the nuclear fuel temperature is found and theoretically substantiated. Dependences of thermal source density for a uranium-plutonium environment are obtained and existence of the Kurdumov modes with peaking is confirmed. Non-stationary dissipative thermal 3D structures in a uranium-plutonium fissile environment is found and possibility of the modes with peaking existence is shown for all known types of reactor nuclear fuel taking into account their thermophysical properties.The distinction of kind between dependences of thermal source density for MOX fuel and uranium oxide fuel is found and explained. This made it possible to find and ground the distinguishing characteristics of accident at the Fukushima I Nuclear Power Plant.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико- математических наук по специальности 01.04.16 – физика ядра, элементарных час- тиц и высоких энергий.  Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2015. Впервые сформулирован общий критерий существования волновых режимов нейтронно-ядерного горения как для волны Ахиезера, так и для волны Феоктистова. Для делящейся среды состоящей из урана 238 проведены исследования вы- полнения критерия волнового горения в широком диапазоне энергий нейтронов и обнаружена возможность волнового ядерного горения не только для быстрых, но и для холодных, надтепловых и резонансных нейтронов. Представлены результаты исследования выполнения критерия Феоктистова для делящейся среды, состоящей из урана 238 с обогащениями 4,38 %, 2,00 %, 1,00 %, 0,71 % и 0,50% по урану 235, в области энергий нейтронов 0,015 – 10,00 эВ. Эти результаты свидетельствуют о возможности существования в области холодных, тепловых, надтепловых и резонансных нейтронов режима медленного волнового нейтронно-ядерного горения уран-плутониевых сред при обогащении по урану 235, соотвестувющему подкритическому состоянию. Для подтверждения справедливости выводов, основанных на анализе выполнения критерия медленного волнового нейтронно-ядерного горения в зависимости от энергии нейтронов, проведено численное моделирование медленного нейтрон- но-ядерного горения природного урана в надтепловой области энергий нейтронов (1,0-7,0 эВ). Представленные результаты численного моделирования волнового нейтронно-ядерного медленного горения природного урана в надтепловой области энергий нейтронов доказывают существование такого режима. Получены нестационарные диссипативные тепловые 3d структуры в уран- плутониевой делящейся среде, т.е. показано существование режимов с обострением Курдюмова. При этом впервые обнаружен и объяснен резонансный характер зависимостей усредненных по нейтронным спектрам сечений основных реакторных нейтронных ядерных реакций (деления и радиационного захвата) от температуры реакторного ядерного топлива, а также нелинейный степенной характер зависимости плотности теплового источника от температуры для уран-плутониевой делящейся среды. Показана возможность существования режимом с обострением в топливных материалах ядерных реакторов. Для всех известных видов реакторного ядерного топлива с учетом их теплофизических свойств определены возможные режимы с обострением. Впервые обнаружено и объяснено для исследованного интервала температур (300 К – 3000 К) принципиальное различие температурных зависимостей плотностей тепловых источников для МОКС-топлива и оксидного уранового топлива. Полученные температурные зависимости для плотности теплового источника делящейся топливной среды позволили выявить и обосновать характерные особенности аварии на 3-м блоке АЕС «Фукусима-1». Уточнена гипотеза о поджиге природного геореактора межгалактическими протонами высоких энергий с учетом особенностей сверхмедленного волнового горения в надтепловой области энергий нейтронов. Кроме того, предложена идея о возможной роли волны Ахиезера в поджиге природного волнового геореактора на ранних стадиях жизни Земли.