طراحی و ارزیابی مجتمع سوخت اکسید مختلط توریوم برای راکتورهای آب سنگین تحت فشار (PHWR) بر پایه کوپلینگ نوترونیکی–ترموهیدرولیکی و تحلیل عملکرد راکتوری

در این پژوهش، طراحی و ارزیابی جامع مجتمع سوخت اکسید مختلط مبتنی بر توریوم (Th-MOX) برای راکتورهای آب سنگین تحت فشار (PHWR) با هدف ارتقای پایداری چرخه سوخت، بهبود مقاومت در برابر اشاعه و افزایش حاشیه های ایمنی انجام شده است. تمرکز اصلی بر توسعه یک چارچوب کوپلینگ دوطرفه نوترونیکی-ترموهیدرولیکی پیشرفته است که تعاملات پیچیده بین میدان نوترونی، توزیع دما و جریان خنک کننده را در مقیاس مرحله به مرحله احتراق (burnup steps) به دقت مدل سازی می کند.روش شناسی مورد استفاده شامل مدل سازی حمل نوترون با رویکرد Monte Carlo با استفاده از کدهای SERPENT ۲ و MCNP۶ همراه با کتابخانه های هسته ای به روز ENDF/B-VIII.۰، در کنار مدل سازی دقیق ترموهیدرولیکی زیرکانال با کد COBRA-TF و اعتبارسنجی با سیستم کد RELAP۵/SCDAP است. طرح کوپلینگ خارجی-داخلی با الگوریتم همگرایی Newton-Raphson و تبادل داده های قدرت خطی، دمای سوخت و ضریب بازتاب در هر گام زمانی-احتراق پیاده سازی گردید تا اثرات فیدبک های حرارتی-هیدرولیکی بر پارامترهای نوترونیکی و بالعکس به طور کامل لحاظ شود.نتایج نشان دهنده عملکرد برتر سوخت Th-MOX نسبت به سوخت مرجع UO₂ است؛ به گونه ای که ضریب تکثیر موثر (k_eff) در طول چرخه احتراق پایدارتر بوده، ضریب دمایی سوخت و moderator منفی تر شده و حاشیه ایمنی حرارتی (DNBR) به طور قابل توجهی بهبود یافته است. مصرف موثر توریوم و تولید U-۲۳۳ در مراحل احتراق بالاتر، همراه با کاهش peaking factor و بهبود توزیع فلاکس نوترونی حرارتی، از مهم ترین دستاوردها هستند. تحلیل coupled مرحله به مرحله نیز حاکی از تعاملات پایدار و عدم وقوع ناپایداری های حرارتی-نوترونیکی در شرایط nominal و transients محدود است.این مطالعه نشان می دهد که مجتمع سوخت Th-MOX توسعه یافته می تواند گامی موثر در جهت تحقق راکتورهای آب سنگین نسل پیشرفته با چرخه سوخت توریوم-پایه باشد و چشم اندازهای نوینی برای افزایش بهره برداری از منابع توریوم و کاهش تولید پسماندهای بلندزندگی رادیواکتیو فراهم آورد.

کلیدواژه ها:

راکتور آب سنگین تحت فشار (PHWR) ، تحلیل coupled ، کوپلینگ نوترونیکی-ترموهیدرولیکی ، تحلیل احتراق مرحله به مرحله ، بهره برداری از توریوم