Д. А. БЛОХИН, Е. Ф. МИТЕНКОВА
Институт проблем безопасного развития атомной энергетики РАН, Москва
ПОДГОТОВКА БИБЛИОТЕК РАСПАДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ПАКЕТА «ORIGEN»
Для практических расчетов эффектов выгорания ядерного топлива широко используется программный комплекс «ORIGEN»-2.1. В данной работе представлены новые версии библиотек распадных данных, подготовленные для комплекса «ORIGEN»-2.1 на основе библиотек оцененных ядерных данных ENDF/B-VI.8, ENDF/B-VII.0, EAF-99 и JEFF-3.1. Выполнено сравнение базовой библиотеки «ORIGEN» с полученными новыми данными.
Для анализа различных процессов работы ядерных реакторов требуется знание энерговыделения, основным источником которого является энергия, высвобождаемая при делении тяжелых ядер, и радиационный распад радиоактивных ядер, образующихся во время работы реактора. Одновременно за счет ядерных реакций (n, γ), (n, 2n), (n, 3n), (n, p), (n, α) на изотопах топливных элементов (торий, уран, плутоний) образуются актиниды, которые также являются источниками радиационного энерговыделения. Кроме этого, эти реакции происходят на изотопах сталей и других конструкционных элементах реактора, которые приводят к образованию радиоактивных изотопов и являются ещё одной компонентой остаточного энерговыделения. После остановки реактора наиболее важную компоненту остаточного энерговыделения составляют радиоактивные продукты деления, которые образуются из топливных изотопов под действием нейтронного поля по реакции деления (n,f). Поэтому важной задачей расчета энерговыделения является задача расчета изменения нуклидного состава активных зон ядерных реакторов в процессе их работы. Для этих целей в 1980-е годы была разработана программа «ORIGEN-2.1» [1] для расчёта изменения состава и радиоактивности топливных элементов, продуктов деления, конструкционных материалов в ядерных реакторах.
По программе «ORIGEN» может быть произведен детальный расчёт нуклидного состава облучённой тепловыделяющей сборки (ТВС). В состав пакета «ORIGEN» входят три специализированные библиотеки ядерных данных, одной из которых является библиотека распадных данных радиоактивных ядер, подготовленная в специальном формате. Эта библиотека была подготовлена на основе имеющейся в 1980-е годы информации о распадных характеристиках радиоактивных ядер. В 90-е годы библиотека распадных данных была существенно расширена для новой версии программы «ORIGEN-S» и она включает распадные данные о 1697 нуклидах, разбитых на 3 группы: 689 «легких» (light) нуклида, 129 актинидов и 879 продуктов деления.
В данной работе представлены новые версии библиотек распадных данных, подготовленные для комплекса «ORIGEN»-2.1 на основе библиотек оцененных ядерных данных ENDF/B-VI.8 [2], ENDF/B-VII.0 [3], EAF-99 [4] и JEFF-3.1 [5]. Выполнено сравнение базовой библиотеки «ORIGEN» с полученными новыми данными.
Выбор библиотек оцененных распадных данных. В настоящее время имеется несколько полнообъемных библиотек оцененных ядерных данных по радиационным характеристикам радионуклидов. Эти библиотеки разработаны и созданы в рамках национальных программ по ядерным данным и широко используются в практических расчетах различных ядерных установок. Среди них отметим такие, как ENDF/B-VI.8 [2], ENDF/B-VII.0 [3], EAF-99/DECAY [4], JEFF-3.1 [5], JEF-2.2 [6], FENDL-2/D [7], JENDL FP Decay Data File 2000 [8], которые представлены в международных и национальных базах ядерных данных, созданных в США, странах ЕС, МАГАТЭ, Японии.
Для целей нашей задачи представляет интерес подготовить для кода «ORIGEN»-2.1 специализированную базу данные по радиационным параметрам радионуклидов на основе тех национальных современных библиотек ядерных данных, которые рекомендуются в настоящее время как наиболее достоверные и находящиеся в открытом доступе через международную сеть Центров ядерных данных. К ним относятся ENDF/B-VI.8 [2], ENDF/B-VII.0 [3], JEFF-3.1 [5], EAF-99/DECAY [4]. В табл. 1 представлены основные сведения по нуклидному содержанию этих библиотек в сравнении с аналогичными оригинальными данными из «ORIGEN»-2.1.
Таблица 1
Содержание библиотек распадных данных
Название библиотеки | Кол-во нуклидов в библиотеке | Область элементов и их изотопов, включенных в библиотеку |
ENDF/B-VI.8 | 979 | 1-H-3 -à99-Es-253 |
ENDF/B-VII.0 | 3838 | 1-H-1 -à111-Rg-283 |
JEFF-3.1 | 3852 | 1-H-1 -à111-Rg-272 |
EAF-99/DECAY | 1917 | 1-H-1 -à100-Fm-258 |
«ORIGEN»-2.1 | 813 | 1-H-1 -à99-Es-255 |
ORIGEN-S | 1697 | 1-H-1 -à99-Es-255 |
Формирование библиотек распадных данных в формате «ORIGEN»-2.1. Так как исходные современные файлы оцененных распадных данных представлены в формате endf-6, то для их переработки в формат библиотеки «ORIGEN»-2.1 был разработан набор программных средств, который позволил преобразовать исходные данные в заданное представление, включая элементы контроля на физическую согласованность.
В данной работе в качестве первого шага были подготовлены новые версии библиотек, полученные из библиотек оцененных данных ENDF/B-VI.8, ENDF/B-VII.0, EAF-99, JEFF-3.1 в сравнении с данными из оригинальной библиотеки «ORIGEN»-2.1. Представленные результаты позволят провести сравнительный анализ по уровню разногласий между данными из различных библиотек.
Сравнение библиотек распадных данных. В качестве теста полученных библиотек распадных данных были выполнены расчеты накопления остаточного тепловыделения для делящихся материалов плутония-239 и уран-235 массой 1 кг в спектре нейтронов теплового реактора ВВЭР-1000 в области его центральной зоны в середине канала с интенсивностью Фn = 5,146 ∙ 
нейтр./(см2 ∙ с). Время облучения образца было выбрано 3 ∙ 107 с и время охлаждения варьировалось от 1 до 1013 с. На рис. 1 и 2 представлены результаты расчетов полного остаточного тепловыделения для делящихся материалов плутония-239 и урана-235 массой 1 кг при использовании распадных данных, подготовленных на основе библиотеки JEFF-3.1 соответственно. Также на этих рисунках представлены составляющие полного тепловыделения, обусловленные альфа-, бета - и гамма-распадом радиоактивных ядер. Отметим, что для времен охлаждения после 3 ∙ 109 с полное тепловыделение практически полностью определяется альфа-распадными процессами радиоактивных ядер. В то же время до времен охлаждения порядка 109 с полное тепловыделение определяется суммарной величиной, состоящей из бета - и гамма-компонент.
Рис. 1. Остаточное тепловыделение для облученного 1 кг Pu-239
Рис. 2. Остаточное тепловыделение для облученного 1 кг U-235
Также были выполнены аналогичные расчеты с использованием данных для нестабильных радионуклидов из библиотек ENDF/B-VI.8 и EAF-99. Отличия в полученных аналогичных результатах на основе библиотек ENDF/B-VI.8 и EAF-99 на данной масштабной сетке столь мало, что не позволяет представить их на этом же рисунке. Поэтому полученные результаты для урана-235 были представлены в виде табличных данных (табл. 2). Как видно из таблицы, все три библиотеки дают практически одинаковый вклад в этот процесс. Это означает, что представленные в этих библиотеках данные по альфа-распаду радиоактивных ядер являются практически одинаковыми. В то же время данные по бету-распадам и сопровождающим их гамма-квантам несколько различны, что и отражается в представленных данных по полному тепловыделению в области времен охлаждения до 109 с.
Таблица 2
Сравнение результатов расчета остаточного тепловыделения для 1 кг урана-235, облученного
в течение 3∙107 с в спектре реактора ВВЭР-1000 на основе библиотек
JEFF-3.1, ENDF/B-VI.8 и EAF-99
Время охлаждения (с) | Полное остаточное тепловыделение (МэВ/с) | ||
JEFF-3.1 | ENDF/B-VI.8 | EAF-99 | |
1 | 2.228∙1014 | 2.220∙1014 | 2.224∙1014 |
10 | 1.978∙1014 | 1.972∙1014 | 1.977∙1014 |
100 | 1.510∙1014 | 1.506∙1014 | 1.509∙1014 |
103 | 9.862∙1013 | 9.849∙1013 | 9.858∙1013 |
104 | 5.006∙1013 | 5.004∙1013 | 5.001∙1013 |
105 | 2.615∙1013 | 2.608∙1013 | 2.611∙1013 |
106 | 1.391∙1013 | 1.387∙1013 | 1.385∙1013 |
107 | 4.163∙1012 | 4.161∙1012 | 4.159∙1012 |
108 | 3.433∙1011 | 3.430∙1011 | 3.429∙1011 |
109 | 6.866∙1010 | 6.866∙1010 | 6.862∙1010 |
1010 | 5.723∙108 | 5.723∙108 | 5.723∙108 |
1011 | 9.987∙106 | 9.987∙106 | 9.987∙106 |
1012 | 9.737∙106 | 9.737∙106 | 9.737∙106 |
1013 | 1.354∙107 | 1.354∙107 | 1.354∙107 |
Заключение. В данной работе было представлено полное описание формата представления радиоактивных данных в формате «ORIGEN» для пакета «ORIGEN»-2.1. Было рассмотрено современное состояние с оцененными данными по радиоактивному распаду ядер, которое имеется в различных национальных и международных библиотеках. На их основе были подготовлены новые версии библиотек распадных данных в формате «ORIGEN»-2.1, основанные как на оригинальном содержании нуклидов в пакете «ORIGEN»-2.1, так и на полном списке нуклидов, имеющихся в исходных библиотеках ENDF/B-VI.8, ENDF/B-VII.0, EAF-99, JEFF-3.1. Полученные результаты послужат основой для проведения работ по сравнительному анализу различий в имеющихся библиотеках распадных данных на современном этапе работ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Croff A. G. A user’s manual for the «ORIGEN»-2 computer code. // Report ORNL/TM-7175, 1980.
2. Rose P. F. ENDF-201, ENDF/B-VI Summary Documentation. 4th Edition // BNL-NCS-17541, 1991.
3. Chadwick M. B. , Oblozinsky P., Herman M. et al. // Nucl. Data Sheets 2006. V. 1
4. Forrest R. A. The European Activation System: EASY-99 Overview. // UKAEA FUS 484, 2000.
5. Koning A., Forrest R., Kellett M. et al. The JEFF-3.1 Nuclear Data Library. // JEFF Report 21, 2006.
6. Nordborg C. and Salvatores M. // Proceedings of International Conference on Nuclear Data for Science and Technology, Gatlinburg, Teneessee, USA, 9–13 May, 1994. V. 2. P. 680.
7. Pashchenko A. B., Wienke H., Kopecky J. et al. FENDL/A-2.0 Neutron Activation Cross Section Data Library for Fusion Applications. // Report IAEA-NDS-173. Vienna, 1998.
8. Katakura J., Yoshida T., Oyamatsu K. and Tachibana T. JENDL FP Decay Data File 2000. // Report JAERI 1343, 2001.
