Mathematical modeling and multicriterion optimization for photonuclear production of the ⁶⁷Cu isotope

Abstract

This paper considers a method for ⁶⁷Cu isotope production using electron bremsstrahlung by the ⁶⁸Zn(γ, p)⁶⁷Cu reaction. The facility for ⁶⁷Cu isotope production contains an electron accelerator, electron-gamma converter and zinc target. To optimize this facility we developed three-dimensional model of the converter and the target. Using this model, we performed the mathematical modeling of zinc target irradiation and thermal-hydraulic processes inside the target for various parameters of the electron beam and converter configurations. For mathematical modeling of radiation processes we used the MCNPX software. Thermal-hydraulic simulation utilized the commercial SolidWorks software with Flow Simulation module. Mathematical modeling revealed that efficient ⁶⁷Cu isotope production needs smaller beam diameter and higher electron energy. Under these conditions target heat power also increases, thus additional cooling is necessary. If the beam diameter and the electron energy are xed the most effective method to satisfy the operating parameters and retain an efficient isotope yield is to optimize photonuclear spectra of the target by variation of converter thickness. We developed an algorithm for multicriterion optimization and performed the optimization of the facility with account to coupled radiation and heat transfer processes.

Рассматривается способ получения изотопа ⁶⁷Cu с использованием тормозного излучения электронов, где изотоп образуется вследствие реакции ⁶⁸Zn(γ, p)⁶⁷Cu . Установка для наработки изотопа ⁶⁷Cu содержит ускоритель электронов, конвертер для получения тормозного излучения и цинковую мишень. Для оптимизации параметров установки разработана трехмерная модель конвертера и мишени. С использованием данной модели проведено математическое моделирование процесса облучения и термогидравлических процессов цинковой мишени для различных параметров пучка электронов и конфигурации конвертера. Математическое моделирование радиационных характеристик осуществлялось с помощью программного комплекса MCNPX. Моделирование термогидравлических параметров осуществлялось при помощи методов вычислительной гидродинамики и методов конечных элементов. При помощи математического моделирования показано, что для повышения эффективности образования изотопа ⁶⁷Cu следует уменьшать диаметр пучка и увеличивать его энергию. При этом также увеличивается энерговыделение в мишени, что требует дополнительных мер по ее охлаждению. При фиксированных значениях диаметра пучка и энергии электронов показано, что для сохранения эксплуатационных параметров и получения эффективной наработки изотопа, наиболее эффективным методом является оптимизация фотоядерного спектра на мишени за счет изменения толщины конвертера. Разработан алгоритм многокритериальной оптимизации и проведена оптимизация установки с учетом радиационных и термогидравлических параметров.

Розглядається спосiб отримання iзотопу ⁶⁷Cu з використанням гальмiвного випромiнювання електронiв, де iзотоп ⁶⁷Cu утворюється внаслiдок реакцiї ⁶⁸Zn(γ, p)⁶⁷Cu. Установка для напрацювання iзотопу ⁶⁷Cu мiстить прискорювач електронiв, конвертер для отримання гальмiвного випромiнювання та цинкову мiшень. Для оптимiзацiї параметрiв установки розроблена тривимiрна модель конвертера i мiшенi. З використанням даної моделi проведено математичне моделювання процесу опромiнення i термогiдравлiчних процесiв цинкової мiшенi для рiзних параметрiв пучка електронiв та конфiгурацiї конвертера. Математичне моделювання радiацiйних характеристик здiйснювалося за допомогою програмного комплексу MCNPX. Моделювання термогiдравлiчних параметрiв здiйснювалося за допомогою методiв обчислювальної гiдродинамiки та методiв кiнцевих елементiв. За допомогою математичного моделювання показано, що для пiдвищення ефективностi утворення iзотопу ⁶⁷Cu потрiбно зменшувати дiаметр пучка та збiльшувати його енергiю. При цьому також збiльшується енерговидiлення у мiшенi, що вимагає додаткових заходiв по її охолодженню. При фiксованих значеннях дiаметра пучка та енергiї електронiв показано, що для збереження експлуатацiйних параметрiв та одержання ефективного напрацювання iзотопу найбiльш ефективним методом є оптимiзацiя фотоядерного спектру на мiшенi за рахунок змiнення товщини конвертера. Розроблено алгоритм багатокритерiальної оптимiзацiї та проведена оптимiзацiя установки з урахуванням радiацiйних i термогiдравлiчних параметрiв.