Analisis prestasi neutronik, inventori aktinida dan produk pembelahan bagi rekabentuk bahan api torium reaktor suhu tinggi

Abstract

Bahan api Th-232/U-233 mempunyai beberapa kelebihan antaranya kerintangan yang tinggi terhadap percambahan senjata nuklear berbanding bahan api U-238/Pu-239 disebabkan faktor penukaran spektrum tenaga neutron terma yang lebih tinggi dan penghasilan unsur TRU yang lebih rendah. Selain itu, bahan api torium juga mempunyai kitaran penggunaan yang lebih panjang dan secara tidak langsung mengurangkan penghasilan bahan api nuklear terpakai. Kajian terdahulu mendapati bahan api torium dapat digunakan dalam bentuk homogen atau heterogen. Namun, susun atur bahan api torium yang berbeza memberi impak terhadap prestasi neutronik dan inventori aktinida dalam bahan api terpakai. Oleh itu, penilaian prestasi neutronik HTR dilakukan menggunakan kod fizik reaktor Monte Carlo N-Particle eXtended (MCNPX 2.7) bagi tiga jenis susun atur bahan api torium-uranium yang berbeza iaitu bahan api homogen, bahan api Unit Benih Neutron Dengan Pembalut (SBU) dan bahan api dupleks TRi structural ISOtropic (TRISO). Prestasi ketiga-tiga jenis bahan api homogen, SBU dan dupleks TRISO kemudiannya dibandingkan dengan dua jenis bahan api rujukan Th- 232/U-233 dan U-238/U-235. Hasil kajian mendapati pemisahan rod torium dan uranium di dalam blok bahan api SBU dan dupleks TRISO menyebabkan kitaran bahan api yang lebih panjang dan penggunaan U-235 yang lebih tinggi berbanding bahan api torium-uranium homogen. Spektrum neutron yang dilembutkan bagi bahan api SBU dan dupleks TRISO berbanding bahan api homogen menyebabkan penghasilan isotop plutonium yang rendah serta mengurangkan keradioaktifan dalam bahan api terpakai selepas 1000 tahun pereputan. Penggunaan nisbah torium-uranium 70:30 di dalam bahan api mengurangkan nilai Kinf awal dan kitaran bahan api disebabkan kekurangan U-235 bagi mengekalkan kegentingan reaktor. Penggunaan nisbah torium-uranium 70:30 juga membolehkan penukaran Th-232 kepada U-233 yang tinggi selain menghasilkan isotop plutonium yang rendah dalam bahan api nuklear terpakai. Seterusnya, kehadiran bendasing yang mempunyai keratan rentas tangkapan neutron terma yang tinggi seperti Gadolinium, Samarium, Europium dan Erbium dalam bahan api menyebabkan populasi neutron terma berkurangan. Namun begitu, hasil kajian mendapati kehadiran bendasing sehingga 4.2% dalam bahan api SBU tidak memberi kesan yang signifikan terhadap prestasi neutronik. Secara umumnya, dapat disimpulkan bahawa bahan api torium mempunyai prestasi neutronik yang unggul berbanding bahan api uranium. Berdasarkan tiga jenis susun atur bahan api yang dikaji, didapati bahan api SBU mencapai nilai Kinf awal yang tinggi dengan kitaran bahan api yang lebih panjang berbanding bahan api torium-uranium homogen dan bahan api dupleks TRISO. Disamping itu, bahan api SBU dengan nisbah torium-uranium 50:50 merupakan model bahan api yang paling ideal kerana dapat mencapai kitaran penggunaan bahan api selama 10 tahun dengan penghasilan isotop plutonium yang terendah