1. Государственная корпорация «Росатом»
Государственный научный центр РФ – Физико-энергетический институт
имени А.И. Лейпунского
Обеспечение ядерной и радиационной безопасности
космической ядерной энергетической установки
на орбите
И.А. Ехлаков, П.А. Алексеев
НТС ГНЦ РФ-ФЭИ
Обнинск,
7 февраля 2014 г.

2. Внешний источник нейтронов
Первые оценки возможности запуска КЯЭУ без специального пускового источника,
проведенные в MCNPХ2.6 (ENDF/B-VI) с использованием спектров, рассчитанных в
программе AP-8 указали на формирование в отражателях и активной зоне РУ источника
нейтронов, мощностью 3.3·105 н./с. для орбиты высотой 1000 м., 6.9·106 н./с. на высоте
1200 м., 1.7·107 н./с на высоте 1500 м.
Поскольку такие потоки нейтронов сопоставимы с потоками от современных пусковых
источников, возникла проблема обеспечения безопасного пуска ядерного реактора
космического назначения в условиях воздействия космического излучения на
конструкционные материалы РУ.

3. Проверка полученных результатов в
GEANT4
Набор физических моделей был выбран в соответствии с рекомендациями SLAC (Stanford
Linear Accelerator Center, США) для контрукционных материалов и электроники,
работающих в космосе.
Источник задан в соответствии с оцифрованными спектрами из научных статей,
рассчитанных в программе CRÈME-96
Геометрия:

4. Итог проверки
Проведенные расчеты подтвердили правильность оценки мощности внешнего источника
нейтронов
С точки зрения задач радиационной защиты возникает новый защищаемый объект –
ядерный реактор на начальном этапе пуска.
Обеспечение безопасности пуска
Пассивная защита
(дополнительные экраны,
снижающие мощность
внешнего нейтронного потока)
Создание методики
безопасного пуска реактора
на орбите с учетом
внешнего потока нейтронов
Расчетный анализ возможных мер пассивной защиты с применением Al, LiH, B4C показал
неэффективность такого подхода

5. Модель радиационных поясов Земли
использованная в дальнейших расчетах
Поток, Протон/(стер. см^2 c)
Спектр протонов для трех точек на орбите 1500 км.
1,0E+05
1,0E+04
1,0E+03
1,0E+02
1,0E+01
1,0E+00
0,1
1
10
Е, MeV
100
1000

6. Изменение мощности реактора при движении
космического аппарата по орбите
- изменение тепловой мощности
реактора
1.00E-04
1.00E-05
- трасса полета космического
аппарата
1.00E-06
1.00E-07
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Время, сек.
1.00E-02
1.00E-03
1200 км
1500 км
Мощность, Вт
Мощность, Вт
1.00E-03
1.00E-04
1.00E-05
1.00E-06
1.00E-07
1.00E-08
1.00E-09
0
1000
2000
3000
4000
Время, сек.
5000
6000
7000

7. Изменение мощности реактора в
период пуска, на орбите 1500 км.
В обоих случаях (время начала пуска t=0 с и t=3000 с) найденные
алгоритмы управления позволяют запустить реактор и достичь
мощности прогрева за приемлемое время.

8. Два случая нарушения принятой модели
Использованная модель не учитывала два типа редких во времени событий, способных
внести в активную зону дополнительные потоки нейтронов: взаимодействие реактора с
тяжелой заряженной частицей и наложение солнечной вспышки на начало пуска реактора.
В соответствии со спектром космических лучей, ТЗЧ с энергией не менее 1 ТэВ будут
взаимодействовать с отражателем несколько раз в секунду, а частицы с энергией не менее
100 ТэВ - практически ежечасно. При взаимодействии с конструкционными материалами
ЯЭУ они способны образовывать широкие каскады вторичных частиц, вызывающих
деления в активной зоне реактора
Вспышки на Солнце с энергией свыше 100 МэВ/нуклон, случающиеся примерно раз в месяц,
способны приводить к росту потока СКЛ до 4 порядков, что также влияет на потоки
нейтронов в активной зоне ЯЭУ.
Необходимо учесть влияние таких событий на пуск ядерного реактора

9. Модель ТРП «ТОПАЗ» в GEANT4
G4NDL 4.2
Добавление моделей протон-ядерных взаимодействий высокой точности для низких
энергий с сечениями из TENDL-2010 + ENDF-VII.0
Добавление процессов деления протонами и пионами

10. Пространственно-временные
характеристики каскада нейтронов
Во всех событий с числом делений в первом поколении более 1000 размеры каскада
превышали размеры активной зоны, при этом количество первичных нейтронов в каждом
отдельном ЭГЭ не превышает 200. Выравнивание энерговыделения происходит уже через
10e-4 с.

11. Количественные характеристики
каскада нейтронов
Мощность специального источника нейтронов, осуществляющего запуск ТРП «ТОПАЗ»
составляет 3,5·e-7 Вт или 1,1·e+4 делений ежесекундно

12. Вспышки на Солнце
Чем меньше будет время достижения пика потока протонов, тем быстрее будет
происходить рост тепловой мощности реактора. Таким образом, мощная
непродолжительная вспышка может привести даже к срыву пуска ЯЭУ

13. Приспособление GEANT4 к расчетам
радиационной защиты.
Реактор как источник излучений.
В соответствии с планами перехода от расчетов защиты от РУ и РП ОКП по отдельности к
единому расчету, требуется программный комплекс, позволяющий моделировать
адронные и электромагнитные процессы с участием легких ионов с зарядами от +1 до Z.
В связи с возможными ограничениями на использование MCNPX, в качестве возможной
замены рассматривается GEANT4.
Ввиду отсутствия в GEANT4 расчета на keff, сначала требовалось создать метод
корректного описания ядерного реактора, как источника излучений.

14. Полученные результаты
Произведенные вычисления для ТРП типа «ТОПАЗ» дали оценки удельных
утечек (на 1 Вт тепловой мощности):
1.1·1010 нейтронов в секунду,
3.2·1010 фотонов в секунду,
2.3·108 электронов в секунду,
1.0·107 позитронов в секунду,
2.4·104 альфа-частиц в секунду,
3.4·103 ядер 6He,
1.3·105 ядер 9Be,
1·10-1 протонов,
5·10-1 дейтронов,
1.7·100 тритонов,
3·10-1 ядер 7Li.
Токи нейтронов, фотонов и гамма совпали с рассчитанным в MCNP с высокой
точностью

15. Сравнение результатов
MCNP
GAMOS
ток через торцевую поверхность ТРП на 1 исходный нейтрон
нейтроны
5.74E-2 ± 0.11E-2
5.84E-2 ± 0.26E-2
гамма
8.04E-2 ± 0.07E-2
7.87E-2 ± 0.19E-2
средний поток через боковую поверхность ТРП на 1 исходный
нейтрон, см-2
нейтроны
1.73Е-2 ± 0.04Е-2
1.74Е-2 ± 0.09Е-2
гамма
5.01Е-2 ± 0.12E-2
4.97E-2 ± 0.23E-2
Число делений в первом поколении в активной зоне на 1
исходный нейтрон
0.389 ± 0.04
0.394 ± 0.08

16. Локальная оценка. Модели в MCNP и
GEANT4/GAMOS
Для решения задач радиационной защиты требуется алгоритм локальной оценки, частично
реализованный в GAMOS (GEANT4-based Architecture for Medicine-Oriented Simulations)
MCNP
GAMOS

17. Локальная оценка. Сравнение результатов
Защита: 3 см обедненный уран, 20 см гидрид лития
дистанция от центра активной зоны до детектора 3 м
нейтроны
гамма
Флюенс нейтронов с энергией > 0.1 МэВ:
Доза гамма-излучения:
MCNP: 2.27E-9 ± 0.02E-9 см-2*МэВ-1
MCNP: 1.06E-17 ± 0.02E-17 Зв
GAMOS: 1.96E-9 ± 0.24E-9 см-2*МэВ-1
GAMOS: 1.01E-17 ± 0.06E-17 Зв
на один первичный нейтрон

18. Спасибо за внимание!