NEUTRONIC INVESTIGATION OF THE EFFECT OF FIRST WALL MATERIAL COMPOSITION AND THICKNESS ON REACTOR STRUCTURE PERFORMANCE IN A FUSION REACTOR

Abstract

ABSTRACT

In this study, the effects of changing first wall materials and their thickness on the reactor were investigated displacement per atom (DPA) and gas production (He and H) in the first wall and tritium breeding ratio (TBR) in the coolant zone and the tritium breeding zone. Therefore, the modeling of a magnetic fusion reactor was determined based on the blanket parameters of the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). Stainless Steel (SS 316 LN-IG), Oxide Dispersion Strengthened Steel Alloy (PM2000 ODS) and China low activation martensitic steel (CLAM) were used as a First Wall (FW) materials. Fluorides family molten salt materials (FLiBe, FLiNaBe, FLiPb) and Lithium oxide (LiO2) were considered as a coolant and the tritium production material in the blanket, respectively. Neutron transport calculations were performed by the well-known 3D code MCNP5 using the continuous energy Monte Carlo methods. It uses the latest built-in continuous energy nuclear and atomic data libraries, the Evaluated Nuclear Data File (ENDF) system (ENDF/B-V and ENDF/B-VI). Additionally, the activity cross section data library CLAW-IV was considered to evaluate both DPA values and gas production of first wall (FW) materials. The interface computer program written in FORTRAN 90 language to evaluate the MCNP5 outputs was developed for the fusion reactor blanket. The results concluded that the best TBR value was obtained for the use of FLiPb coolant, while the first wall replacement period in terms of radiation damage to all materials was between 6 and 11 years depending on the thickness.

ÖZET

Bu çalışmada, değişen birinci duvar malzemelerinin ve kalınlıklarının reaktör üzerindeki etkileri, birinci duvarda atom başına yer değiştirme (DPA) ve gaz üretimi (He ve H) soğutucu akışkan ve trityum üreme bölgelerindeki trityum üretim oranı (TBR) araştırılmıştır. Bu nedenle, bir manyetik füzyon reaktörünün modellenmesi, Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktörün (ITER) battaniye parametrelerine bağlı olarak belirlenmiştitr. Birinci Duvar (FW) malzemeleri olarak Paslanmaz Çelik (SS 316LN-IG), Oksit Dağılımla Güçlendirilmiş Çelik Alaşımı (PM2000 ODS) ve Çin Düşük Aktivasyonlu Martensitik Çelik (CLAM) kullanıldı. Florür ailesi erimiş tuz malzemeleri (FLiBe, FLiNaBe, FLiPb) ve Lityum oksit (LiO2), battaniyede sırasıyla bir soğutucu ve trityum üretim malzemesi olarak ele alınmıştır. Nötron transport hesaplamaları, sürekli enerji şartlarında Monte Carlo yöntemi kullanılarak 3 Boyutlu kod olan MCNP5 ile yapılmıştır. Sürekli enerjili nükleer ve atomik veri kütüphaneleri olan, Evaluated Nuclear Data File (ENDF) sistemi (ENDF/B-V ve ENDF/B-VI) kullanılmıştır. Ayrıca, birinci duvar (FW) malzemelerinin hem DPA değerlerini hem de gaz üretimini değerlendirmek için CLAW-IV tesir kesit kütüphanesi kullanılmıştır. Füzyon reaktörü battaniyesinde MCNP5 çıktılarını değerlendirmek için FORTRAN 90 dilinde yazılmış arayüz bilgisayar programı geliştirilmiştir. Sonuçlar, en iyi TBR değerinin FLiPb soğutucu kullanımı için elde edildiği, tüm malzemelerde radyasyon hasarı açısından ilk duvar değiştirme süresinin kalınlığa bağlı olarak 6 ila 11 yıl arasında olduğu sonucuna varmıştır.