Generation of MeV -energy protons in WWER reactor core
The spectrum of fast protons, generated by fast neutrons of WWER-1000 reactor core in water, has been calculated using the Monte Carlo method. The main mechanism of fast proton generation in the moderator is found to be elastic scattering of fast neutrons on hydrogen nuclei. Fast protons with mean...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96424 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Generation of MeV -energy protons in WWER reactor core / A.V. Gann, V.V. Gann // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 5. — С. 28-30. — Бібліогр.: 3 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859710368969916416 |
|---|---|
| author | Gann, A.V. Gann, V.V. |
| author_facet | Gann, A.V. Gann, V.V. |
| citation_txt | Generation of MeV -energy protons in WWER reactor core / A.V. Gann, V.V. Gann // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 5. — С. 28-30. — Бібліогр.: 3 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | The spectrum of fast protons, generated by fast neutrons of WWER-1000 reactor core in water, has been calculated
using the Monte Carlo method. The main mechanism of fast proton generation in the moderator is found to be
elastic scattering of fast neutrons on hydrogen nuclei. Fast protons with mean energy 1 MeV flow towards the
surface of cladding material at flux density 0.1 µA/cm2
. The process of hydrogen implantation into zirconium
cladding is discussed in the article. Proton range distribution profile in cladding material is calculated. The role of
this mechanism in the hydrogenation of zirconium under reactor irradiation is discussed.
Методом Монте-Карло розраховано спектр швидких протонiв, що порушуються швидкими нейтрона-
ми у водi активної зони ректора ВВЕР-1000. Основним механiзмом утворення швидких протонiв у
сповiльнювачi є пружне розсiювання швидких нейтронiв на ядрах атомiв водню. Показано, що при
номiнальнiй потужностi реактора потiк швидких протонiв на оболонку твела становить величину по-
рядку 0, 1 мкА/см2
, середня енергiя протонiв 1 МеВ, а максимальна енергiя досягає 10 МеВ. Розглянуто
процес iмплантацiї водню в цирконiєву оболонку твела. Розраховано профiль пробiгiв протонiв по тов-
щинi оболонки. Обговорюється роль розглянутого явища в процесах наводнення цирконiєвої оболонки
твелiв у водi при реакторному опромiненнi.
Методом Монте-Карло рассчитан спектр быстрых протонов, возбуждаемых в воде быстрыми нейтро-
нами активной зоны реактора ВВЭР-1000. Основным механизмом образования быстрых протонов в
замедлителе является упругое рассеяние быстрых нейтронов на ядрах атомов водорода. Показано, что
при номинальной мощности реактора поток быстрых протонов на оболочку твэла составляет величину
порядка 0, 1 мкА/см2
, средняя энергия протонов составляет 1 МэВ, а максимальная энергия достигает
10 МэВ. Рассмотрен процесс имплантации водорода в циркониевую оболочку твэла. Рассчитан профиль
пробегов протонов по толщине оболочки. Обсуждается роль рассмотренного явления в процессах на-
водораживания циркониевой оболочки твэлов в воде при реакторном облучении.
|
| first_indexed | 2025-12-01T05:06:04Z |
| format | Article |
| fulltext |
NUCLEAR-PHYSICAL METHODS AND PROCESSING OF DATA
GENERATION OF MeV -ENERGY PROTONS IN WWER
REACTOR CORE
A.V. Gann, V.V. Gann∗
National Science Center ”Kharkov Institute of Physics and Technology”, 61108, Kharkov, Ukraine
(Received June 4, 2009)
The spectrum of fast protons, generated by fast neutrons of WWER-1000 reactor core in water, has been calculated
using the Monte Carlo method. The main mechanism of fast proton generation in the moderator is found to be
elastic scattering of fast neutrons on hydrogen nuclei. Fast protons with mean energy 1 MeV flow towards the
surface of cladding material at flux density 0.1 µA/cm2. The process of hydrogen implantation into zirconium
cladding is discussed in the article. Proton range distribution profile in cladding material is calculated. The role of
this mechanism in the hydrogenation of zirconium under reactor irradiation is discussed.
PACS: 28.50.Dr, 29.25.Dz, 28.41.Kw
1. INTRODUCTION
Zirconium has been chosen as a structural material of
reactor cores for water-cooled nuclear power reactors
because of small cross-section of the thermal neutron
absorption. Being in contact with the coolant, zir-
conium materials are oxidized and absorb hydrogen.
Processes of hydrogen pickup change the mechanical
properties of the core components. Investigation of
reactor material hydrogenation during reactor oper-
ation is of great importance. The roles of various
physical processes which control the transport of hy-
drogen into zirconium alloys are discussed in many
works. The experimental data and phenomenological
models describing the process of hydrogen absorp-
tion in zirconium alloys are presented in the review
[1]. There are several ways of hydrogen transport
into reactor core materials. One of those is (n, p)
reaction on the nuclei of the material. For example,
proton yield from the reaction of fission neutrons on
zirconium nuclei equals to 0.38 mb [2]. Therefore,
only about 10 ppm of hydrogen can be produced in
zirconium cladding during one fuel cycle. Radioly-
sis of water is a more powerful mechanism of hydro-
genation. H+ ions penetrate through the cladding
surface and diffuse over zirconium. Another mecha-
nism of hydrogen transport from water to material
is discussed in this paper. This mechanism is impor-
tant for WWER-type reactors in which water serves
as both moderating and cooling agent. Fast neutrons
moving in the water are scattered by protons creating
fast recoil protons, possessing the energy sufficient to
penetrate into the material [3].
2. COMPUTER MODEL OF THE
PROCESS
Let us consider a fuel assembly with the average en-
richment of 3.9% of U235 (see Fig.1). This assembly
has fuel rods, containing UO2 or UO2 + Gd2O3 pel-
lets placed in claddings made of zirconium alloy. All
the spaces between fuel rods as well as all tubes and
central channels are filled with water. Fast neutrons
produced during the fission of uranium are slowed
down in water, diffuse to fuel rods, cause new fission
or are absorbed by core materials.
Fig.1. Model of fuel assembly TVSA 390GO
Fig.2 shows the spectrum of neutrons in water, ob-
tained using the Monte Carlo method for criticality
calculations of this assembly with mirror boundary
conditions. When moving in water the fast neutrons
collide with the hydrogen nuclei producing fast pro-
tons.The main mechanism of fast proton formation is
elastic scattering of fast neutrons on hydrogen nuclei.
∗Corresponding author E-mail address: gann@kipt.kharkov.ua
28 PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY, 2009, N5.
Series: Nuclear Physics Investigations (52), p.28-30.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
1E-4
1E-3
0.01
0.1
1
n - spectra
d
F
/d
E
,
1
/M
e
V
E, MeV
Fig.2. Spectrum of neutrons in water
The spectrum of recoil protons in water is shown
in Fig.3. Recoil protons are slowed down in water
and other core materials. Thus the density spec-
trum of the proton flux shifts to the lower energy,
as shown in Fig.4. The mean energy of protons
equals to 1 MeV , and the maximal energy is 10 MeV .
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
1E-4
1E-3
0.01
0.1
1
10
100
H - spectrum
<
d
/
d
T
>
,
b
/
M
e
V
T, MeV
Fig.3. Recoil protons spectrum
0 1 2 3 4 5 6 7
0.0
2.0x10
-4
4.0x10
-4
H flux
F
lu
x
,
H
/n
/M
e
V
E, MeV
Fig.4. Density spectrum of proton flux in water
The spectrum of fast protons, produced in water
by fast neutrons is shown in Fig.4 (using unit pro-
ton/neutron/MeV), as obtained using the Monte
Carlo simulation. One can see that the ratio of
proton flux to neutron flux at the surface of the zir-
conium cladding equals to ϕp/ϕn = 0.0001. The
absolute value of proton flux at the surface of the
cladding amounts to 0.1 µA/cm2 at the nominal re-
actor power.
3. IMPLANTATION OF HYDROGEN
INTO ZIRCONIUM CLADDING
The protons entering the zirconium cladding have
a rather broad energy spectrum up to 10 MeV ,
and consequently different ranges in zirconium.
The protons of low energy stop in the near-
surface region and the fast protons reach a rather
large depth. Dependences of the proton total
flux on the depth are shown in Fig.5 and 6.
0 50 100 150 200 250 300
1E-3
0.01
0.1
1
H flux
F
lu
x
,
1
0
-3
H
/n
Depth, µ
Fig.5. Dependence of the proton total flux on the
depth in zirconium
As it follows from Fig.5, the protons penetrate zir-
conium to the depth of hundreds microns, although
the proton flux density decreases rapidly with the
depth. The dependence of the proton total flux in
the near-the-surface region is shown in Fig.6. Such
rapid decrease of the proton flux is caused by the
large portion of low energy protons in the spectrum
of protons coming to the outer surface of the cladding.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
H flux
F
lu
x
,
1
0
-3
H
/n
Depth, µ
Fig.6. Dependence of the proton flux in zirconium
at the small depth
29
0 20 40 60 80 100
1E-5
1E-4
C
o
n
c
e
n
tr
a
ti
o
n
,
H
/n
/µ
H concentration
Depth, µ
Fig.7. Dependence of hydrogen concentration on
the depth in zirconium
Using the data from Fig.5 one can calculate the con-
centration profile of hydrogen implanted into the
zirconium cladding of a fuel rod. Fig.7 shows the
proton range profile. The range of fast protons
averages 20 µ, the maximal proton range is larger
then 200 µ. As mentioned above, the concentra-
tion of hydrogen implanted into zirconium decreases
rapidly in the near surface region and comes to a
simple exponential dependence at the large depth.
4. CONCLUSIONS
It follows from Fig.7 that the average rate of
hydrogen accumulation in 40 µ layer amounts to
5 · 10−5H/n/µ, and the total concentration of hydro-
gen accumulated in this layer during the fuel cycle
comes to 3 · 1022H/cm3, which corresponds to one
hydrogen atom per one zirconium atom. Therefore,
the discussed mechanism plays an important role in
the process of zirconium hydrogenation during reac-
tor irradiation.
References
1. V.V. Likhanskii, I.A. Evdokimov. Review of the-
oretical conceptions on regimes of oxidation and
hydrogen pickup in Zr-alloys //Proceedings of the
7-th International Conference on WWER Fuel
Performance, Modelling and Experimental Sup-
port. Albena, Bulgaria, 17-21 September, 2007.
2. V.M.Bychkov, V.N.Manokhin, A.B.Pashchenko,
V.I.Plyackin. Neutron crossections of threshold
re-actions: Handbook. Moskow: ”Energoizdat”,
1982 (In Russian).
3. A.V. Gann, V.V. Gann. Generation of MeV-
energy-region protons in water-water reactor
core //Theses of VII Conference on high en-
ergy physics, nuclear physics and accelerators.
Kharkov, 23-27 February 2009, p.69 (in Russian).
ГЕНЕРАЦИЯ ПРОТОНОВ МэВ-НЫХ ЭНЕРГИЙ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ
ВОДО-ВОДЯНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РЕАКТОРА
А.В. Ганн, В.В. Ганн
Методом Монте-Карло рассчитан спектр быстрых протонов, возбуждаемых в воде быстрыми нейтро-
нами активной зоны реактора ВВЭР-1000. Основным механизмом образования быстрых протонов в
замедлителе является упругое рассеяние быстрых нейтронов на ядрах атомов водорода. Показано, что
при номинальной мощности реактора поток быстрых протонов на оболочку твэла составляет величину
порядка 0, 1мкА/см2, средняя энергия протонов составляет 1МэВ, а максимальная энергия достигает
10МэВ. Рассмотрен процесс имплантации водорода в циркониевую оболочку твэла. Рассчитан профиль
пробегов протонов по толщине оболочки. Обсуждается роль рассмотренного явления в процессах на-
водораживания циркониевой оболочки твэлов в воде при реакторном облучении.
ГЕНЕРАЦIЯ ПРОТОНIВ МеВ-НИХ ЕНЕРГIЙ В АКТИВНIЙ ЗОНI
ВОДО-ВОДЯНОГО ЕНЕРГЕТИЧНОГО РЕАКТОРА
А.В. Ганн, В.В. Ганн
Методом Монте-Карло розраховано спектр швидких протонiв, що порушуються швидкими нейтрона-
ми у водi активної зони ректора ВВЕР-1000. Основним механiзмом утворення швидких протонiв у
сповiльнювачi є пружне розсiювання швидких нейтронiв на ядрах атомiв водню. Показано, що при
номiнальнiй потужностi реактора потiк швидких протонiв на оболонку твела становить величину по-
рядку 0, 1мкА/см2, середня енергiя протонiв 1МеВ, а максимальна енергiя досягає 10МеВ. Розглянуто
процес iмплантацiї водню в цирконiєву оболонку твела. Розраховано профiль пробiгiв протонiв по тов-
щинi оболонки. Обговорюється роль розглянутого явища в процесах наводнення цирконiєвої оболонки
твелiв у водi при реакторному опромiненнi.
30
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96424 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-01T05:06:04Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Gann, A.V. Gann, V.V. 2016-03-16T19:39:03Z 2016-03-16T19:39:03Z 2009 Generation of MeV -energy protons in WWER reactor core / A.V. Gann, V.V. Gann // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 5. — С. 28-30. — Бібліогр.: 3 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 28.50.Dr, 29.25.Dz, 28.41.Kw https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96424 The spectrum of fast protons, generated by fast neutrons of WWER-1000 reactor core in water, has been calculated using the Monte Carlo method. The main mechanism of fast proton generation in the moderator is found to be elastic scattering of fast neutrons on hydrogen nuclei. Fast protons with mean energy 1 MeV flow towards the surface of cladding material at flux density 0.1 µA/cm2 . The process of hydrogen implantation into zirconium cladding is discussed in the article. Proton range distribution profile in cladding material is calculated. The role of this mechanism in the hydrogenation of zirconium under reactor irradiation is discussed. Методом Монте-Карло розраховано спектр швидких протонiв, що порушуються швидкими нейтрона- ми у водi активної зони ректора ВВЕР-1000. Основним механiзмом утворення швидких протонiв у сповiльнювачi є пружне розсiювання швидких нейтронiв на ядрах атомiв водню. Показано, що при номiнальнiй потужностi реактора потiк швидких протонiв на оболонку твела становить величину по- рядку 0, 1 мкА/см2 , середня енергiя протонiв 1 МеВ, а максимальна енергiя досягає 10 МеВ. Розглянуто процес iмплантацiї водню в цирконiєву оболонку твела. Розраховано профiль пробiгiв протонiв по тов- щинi оболонки. Обговорюється роль розглянутого явища в процесах наводнення цирконiєвої оболонки твелiв у водi при реакторному опромiненнi. Методом Монте-Карло рассчитан спектр быстрых протонов, возбуждаемых в воде быстрыми нейтро- нами активной зоны реактора ВВЭР-1000. Основным механизмом образования быстрых протонов в замедлителе является упругое рассеяние быстрых нейтронов на ядрах атомов водорода. Показано, что при номинальной мощности реактора поток быстрых протонов на оболочку твэла составляет величину порядка 0, 1 мкА/см2 , средняя энергия протонов составляет 1 МэВ, а максимальная энергия достигает 10 МэВ. Рассмотрен процесс имплантации водорода в циркониевую оболочку твэла. Рассчитан профиль пробегов протонов по толщине оболочки. Обсуждается роль рассмотренного явления в процессах на- водораживания циркониевой оболочки твэлов в воде при реакторном облучении. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Ядернo-физические методы и обработка данных Generation of MeV -energy protons in WWER reactor core Генерацiя протонiв МеВ-них енергiй в активнiй зонi водо-водяного енергетичного реактора Генерация протонов МэВ-ных энергий в активной зоне водо-водяного энергетического реактора Article published earlier |
| spellingShingle | Generation of MeV -energy protons in WWER reactor core Gann, A.V. Gann, V.V. Ядернo-физические методы и обработка данных |
| title | Generation of MeV -energy protons in WWER reactor core |
| title_alt | Генерацiя протонiв МеВ-них енергiй в активнiй зонi водо-водяного енергетичного реактора Генерация протонов МэВ-ных энергий в активной зоне водо-водяного энергетического реактора |
| title_full | Generation of MeV -energy protons in WWER reactor core |
| title_fullStr | Generation of MeV -energy protons in WWER reactor core |
| title_full_unstemmed | Generation of MeV -energy protons in WWER reactor core |
| title_short | Generation of MeV -energy protons in WWER reactor core |
| title_sort | generation of mev -energy protons in wwer reactor core |
| topic | Ядернo-физические методы и обработка данных |
| topic_facet | Ядернo-физические методы и обработка данных |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96424 |
| work_keys_str_mv | AT gannav generationofmevenergyprotonsinwwerreactorcore AT gannvv generationofmevenergyprotonsinwwerreactorcore AT gannav generaciâprotonivmevnihenergiivaktivniizonivodovodânogoenergetičnogoreaktora AT gannvv generaciâprotonivmevnihenergiivaktivniizonivodovodânogoenergetičnogoreaktora AT gannav generaciâprotonovmévnyhénergiivaktivnoizonevodovodânogoénergetičeskogoreaktora AT gannvv generaciâprotonovmévnyhénergiivaktivnoizonevodovodânogoénergetičeskogoreaktora |