Neutron spectrum analyses of spallation neutrons are conducted in the accelerator-driven system (ADS) facility at the Kyoto University Critical Assembly (KUCA). High-energy protons (100 MeV) obtained from the fixed field alternating gradient accelerator are injected onto a tungsten target, whereby the spallation neutrons are generated. For neutronic characteristics of spallation neutrons, the reaction rates and the continuous energy distribution of spallation neutrons are measured by the foil activation method and by an organic liquid scintillator, respectively. Numerical calculations are executed by MCNPX with JENDL/HE-2007 and ENDF/B-VI libraries to evaluate the reaction rates of activation foils (bismuth and indium) set at the target and the continuous energy distribution of spallation neutrons set in front of the target. For the reaction rates by the foil activation method, the C/E values between the experiments and the calculations are found around a relative difference of 10%, except for some reactions. For continuous energy distribution by the organic liquid scintillator, the spallation neutrons are observed up to 45 MeV. From these results, the neutron spectrum information on the spallation neutrons generated at the target are attained successfully in injecting 100 MeV protons onto the tungsten target.
A novel ceramic Gas Electron Multiplier (GEM) has been developed to meet the demand of high counting rate for the neutron detection which is an alternative to 3He-based detector at China Spallation Neutron Source (CSNS). An experiment was performed to measure the neutron transmittance of ceramic-GEM and FR4-GEM at the small angle neutron scattering (SANS) instrument. The result showed the ceramic-GEM has higher transmittance and less self-scattering especially for cold neutrons. One single ceramic GEM could give a gain of 102-104 in the mixture gas of Ar and CO2 (90%:10%) and its energy resolution was about 27.7% by using 55Fe X ray of 5.9 keV. A prototype has been developed in order to investigate the performances of the ceramic GEM-based neutron detector. Several neutron beam tests, including detection efficiency, spatial resolution, two-dimensional imaging, and wavelength spectrum, were carried out at CSNS and China Mianyang Research Reactor (CMRR). The results show that the ceramic GEM-based neutron detector is a good candidate to measure the high intensity neutrons.
The nMCP (Neutron sensitive microchannel plate) combined with advanced readout electronics is widely used in energy selective neutron imaging because of its good spatial and timing resolution. Neutron detection efficiency is a crucial parameter for the nMCP. In this paper, a mathematical model based on the oblique cylindrical channel and elliptical pore was established to calculate the neutron absorption probability, the escape probability of charged particles and overall detection efficiency of nMCP and analyze the effects of neutron incident position, pore diameter, wall thickness and bias angle. It was shown that when the doping concentration of the nMCP was 10 mol%, the thickness of nMCP was 0.6 mm, the detection efficiency could reach maximum value, about 24% for thermal neutrons if the pore diameter was 6 ㎛, the wall thickness was 2 ㎛ and the bias angle was 3 or 6°. The calculated results are of great significance for evaluating the detection efficiency of the nMCP. In a subsequent companion paper, the mathematical model would be extended to the case of the spatial resolution and detection efficiency optimization of the coating nMCP.
A spent fuel problem has prevented the nuclear power from claiming to be a completely clean energy source. The nuclear transmutation technology to incinerate the long lived radioactive nuclides and produce energy during the incineration process is believed to be one or the best solutions. HYPER(Hybrid Power Extraction Reactor) is the accelerator driven transmutation system which is being developed by KAERI(Korea Atomic Energy Research Institute). Some major feature of HYPER have been developed and employed. On-power fueling concepts are employed to keep system power constant with minimum variation of accelerator power. A hollow cylinder-type metal fuel is designed for the on-line refueling concept. Lead-bismuth(Pb-Bi) is adopted as a coolant and Spallation target material. HYPER is a subcritical reactor which needs an external neutron source. 1GeV proton beam is irradiated to Lead-bismuth(Pb-Bi) target inside HYPER, and spallation neutrons are produced. When proton beams are irradiated, much heat is also deposited in the Pb-Bi target and beam window which separates Pb-Bi and accelerator vacuum. Therfore, an effective cooling is needed for HYPER target. In this paper, we performed the thermal-hydraulic analysis of HYPER target using FLUENT code, and also calculated thermal and mechanical stress of the beam window using ANSYS code.
The accelerator-driven subcritical system (ADS) is driven by a neutron source from spallation reactions introduced by the injected proton beam. Part of the neutron source has energy as high as a few hundred MeV to a few GeV. The effects of high-energy source neutrons ($E_n$ > 20 MeV) are usually approximated by energy cut-off treatment in practical core calculations, which can overestimate the predicted proton beam current in the ADS design. This article intends to quantize this effect and propose a way to solve this problem. To evaluate the effects of high-energy neutrons in the subcritical core, two models are established aiming to cover the features of current experimental facilities and industrial-scale ADS in the future. The results show that high-energy neutrons with $E_n$ > 20 MeV are of small fraction (2.6%) in the neutron source, but their contribution to the source efficiency is about 23% for the large scale ADS. Based on this, a neutron source efficiency correction factor is proposed. Tests show that the new correction method works well in the ADS calculation. This method can effectively improve the accuracy of the prediction of the proton beam current.
Proceedings of the Korean Nuclear Society Conference
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1998.05a
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pp.149-154
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1998
A subcritical reactor driven by a linear proton accelerator has been considered as a nuclear waste incinerator at Korea Atomic Energy Research Institute(KAERI). Since the multiplication factor of a subcritical reactor is less than unity, to compensate exponentially decreasing fission neutrons from spallation reactions are essentially required for operating the reactor in its steady state. furthermore, the profile of accelerator beam currents is very important in controlling a subcritical reactor, because the reactor power varies in accordance of the profile of external neutrons. We have developed a code system to find numerical solutions of reactor kinetics equations, which are the simplest dynamic model for controlling reactors. In a due course of our previous numerical study of point kinetics equations for critical reactors, however, we learned that the same code system can be used in studying dynamic behavior of the subcritical reactor. Our major motivation of this paper is to investigate responses of subcritical reactors for small changes in thermal hydraulic parameters. Building a thermal hydraulic model for the subcritical reactor dynamics, we performed numerical simulations for dynamic responses of the reactor based on point kinetics equations with a source term. Linearizing a set of coupled differential equations for reactor responses, we focus our research interest on dynamic responses of the reactor to variations of the thermal hydraulic parameters in transient phases.
Park, Won S.;Tae Y. Song;Lee, Byoung O.;Park, Chang K.
Nuclear Engineering and Technology
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v.34
no.1
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pp.42-59
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2002
In order to transmute long-lived radioactive nuclides such as transuranics(TRU), Tc-99, and I- l29 in LWR spent fuel, a preliminary conceptual design study has been performed for the accelerator driven subcritical reactor system, called HYPER(Hybrid Power Extraction Reactor) The core has a hybrid neutron energy spectrum: fast and thermal neutrons for the transmutation of TRU and fission products, respectively. TRU is loaded into the HYPER core as a TRU-Zr metal form because a metal type fuel has very good compatibility with the pyre- chemical process which retains the self-protection of transuranics at all times. On the other hand, Tc-99 and I-129 are loaded as pure technetium metal and sodium iodide, respectively. Pb-Bi is chosen as a primary coolant because Pb-Bi can be a good spallation target and produce a very hard neutron energy spectrum. As a result, the HYPER system does not have any independent spallation target system. 9Cr-2WVTa is used as a window material because an advanced ferritic/martensitic steel is known to have a good performance under a highly corrosive and radiation environment. The support ratios of the HYPER system are about 4∼5 for TRU, Tc-99, and I-129. Therefore, a radiologically clean nuclear power, i.e. zero net production of TRU, Tc-99 and I-129 can be achieved by combining 4 ∼5 LWRs with one HYPER system. In addition, the HYPER system, having good proliferation resistance and high nuclear waste transmutation capability, is believed to provide a breakthrough to the spent fuel problems the nuclear industry is faced with.
An, So-Hyun;Lee, Young-Ouk;Cho, Young-Sik;Lee, Cheol-Woo
Nuclear Engineering and Technology
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v.39
no.6
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pp.747-752
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2007
The Proton Engineering Frontier Project (PEFP) has designed and developed a proton linear accelerator facility operating at 100 MeV - 20 mA. The radiological effects of such a nuclear facility on the environment are important in terms of radiation safety. This study estimated the production rates of radionuclides in the soil around the accelerator facility using MCNPX. The groundwater migration of the radioisotopes was also calculated using the Concentration Model. Several spallation reactions have occurred due to leaked neutrons, leading to the release of various radionuclides into the soil. The total activity of the induced radionuclides is approximately $2.98{\times}10^{-4}Bq/cm^3$ at the point of saturation. $^{45}Ca$ had the highest production rate with a specific activity of $1.78{\times}10^{-4}Bq/cm^3$ over the course of one year. $^3H$ and $^{22}Na$ are usually considered the most important radioisotopes at nuclear facilities. However, only a small amount of tritium was produced around this facility, as the energy of most neutrons is below the threshold of the predominant reactions for producing tritium: $^{16}O(n,\;X)^3H$ and $^{28}Si(n,X)^3H$ (approximately 20 MeV). The dose level of drinking water from $^{22}Na$ was $1.48{\times}10^{-5}$ pCi/ml/yr, which was less than the annual intake limit in the regulations.
The Multi-Physics (MP) instrument is one of 20 neutron spectrometers planned in the China Spallation Neutron Source (CSNS). This paper presents a shielding calculation for the MP instrument using Monte Carlo codes MCNPX and FLUKA. First, the neutrons that escape from the CSNS decoupled water moderator and are delivered to the beam line of the MP instrument are calculated to use as the source term of the shielding calculation. Then, to validate the calculation method based on multiple variance reduction techniques, a cross check between MCNPX and FLUKA codes is performed by comparing the calculation results of the dose rate distribution on a simplified beam line model. Finally, a complete geometry model of the MP instrument is set up, and the primary parameters for the shielding design are obtained according to the calculated dose rate map considering different worst-case scenarios.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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