Estudo das reações nucleares envolvendo núcleos pesados e prótons a energias intermediárias e altas e de uma aplicação em física de reatores nucleares (ADS)

• Main Author: Matuoka, Paula Fernanda Toledo
• Other Authors: Deppman, Airton
• Format: Others
• Language: pt
• Published: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP 2016
• Subjects: Monte Carlo; Nuclear Reactions; Reações Nucleares; Spallation
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/43/43134/tde-16012017-105655/

Neste trabalho, foram estudadas as reações envolvendo núcleos pesados e prótons no regime de energias intermediárias e altas através de simulações computacionais com o modelo Monte Carlo CRISP (Colaboração Rio - Ilhéus - São Paulo). Os principais processos nucleares investigados foram a cascata intranuclear e a competição evaporação-fissão. Em estudos preliminares, determinou-se que o CRISP reproduz satisfatoriamente a multiplicidade de nêutrons de evaporação (E < 20 MeV) da reação p (1200 MeV) + Pb-208 e a produção de resíduos de spallation para p (1000 MeV) + Pb-208. Já o estudo da relação entre multiplicidade de nêutrons e fissão para a reação de prótons com energia até 85 MeV com Th-232 indicou que o CRISP superestimou as emissões, enquanto subestimou a seção de choque de fissão dessa reação - reflexo das limitações do modelo de cascata nuclear para baixas energias (da ordem de 50 MeV). A reação p (1200 MeV) + Pb-208 foi escolhida para o estudo de uma fonte de nêutrons de spallation. A cascata intranuclear foi responsável pela emissão dos nêutrons energéticos da reação (E > 20 MeV), enquanto que a evaporação foi responsável pelo maior número de nêutrons emitidos. A seção de choque de fissão encontrada foi de 209 mb, enquanto que a de spallation foi de 1788 mb - ambas comparáveis aos valores experimentais. A distribuição de massa dos fragmentos indicou fissão simétrica. Finalmente, foi utilizado outro código Monte Carlo, o MCNP, para o transporte de radiação, a fim de compreender o papel da fonte de nêutrons de spallation em um reator nuclear ADS (Accelerator Driven System). Simulou-se um reator PWR, inicialmente, para estudar a produção de nuclídeos no processo de queima do combustível nuclear. Em seguida, simulou-se uma primeira tentativa de adaptação de uma fonte de spallation a um reator térmico de dimensões industriais. Constatou-se que não houve redução da concentração de elementos transurânicos com o modelo de reator adotado e alterações foram propostas. === In the present work, intermediate- and high-energy nuclear reactions involving heavy nuclei and protons were studied with the Monte Carlo CRISP (Rio - Ilhéus - São Paulo Collaboration) model. The most relevant nuclear processes studied were intranuclear cascade and fission-evaporation competition. Preliminary studies showed fair agreement between CRISP model calculation and experimental data of multiplicity of evaporated neutrons (E < 20 MeV) from the p (1200 MeV) + Pb-208 reaction and of spallation residues from the p (1000 MeV) + Pb-208 reaction. The investigation of neutron multiplicity from proton-induced fission of Th-232 up to 85 MeV showed that it was being overestimated by CRISP model; on the other hand, fission cross section were being underestimated. This behavior is due to limitations of the intranuclear cascade model for low-energies (around 50 MeV). The p (1200 MeV) + Pb-208 reaction was selected for the study of a spallation neutron source. High-energy neutrons (E > 20 MeV) were emitted mostly in the intranuclear cascade stage, while evaporation presented larger neutron multiplicity. Fission cross section of 209 mb and spallation cross section of 1788 mb were calculated - both in agreement with experimental data. The fission process resulted in a symmetric mass distribution. Another Monte Carlo code, MCNP, was used for radiation transport in order to understand the role of a spallation neutron source in a ADS (Accelerator Driven System) nuclear reactor. Initially, a PWR reactor was simulated to study the isotopic compositions in spent nuclear fuel. As a first attempt, a spallation neutron source was adapted to an industrial size nuclear reactor. The results showed no evidence of incineration of transuranic elements and modifications were suggested.