Neutronklyngeeffekt i atomreaktorer demonstreret for første gang

For første gang, den længe teoretiserede neutronklyngeeffekt i atomreaktorer er blevet påvist, som kunne forbedre reaktorsikkerheden og skabe mere nøjagtige simuleringer, ifølge en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikationsfysik .

"Fænomenet neutronklyngning havde været teoretiseret i årevis, men det var aldrig blevet analyseret i en fungerende reaktor, sagde Nicholas Thompson, en ingeniør hos Los Alamos Advanced Nuclear Technology Group. "Resultaterne indikerer, at når neutroner spaltes og skaber flere neutroner, nogle fortsætter med at danne store slægter af klynger, mens andre hurtigt dør ud, resulterer i såkaldte 'power tilts', ' eller asymmetrisk energiproduktion."

At forstå disse klyngeudsving er især vigtigt for sikkerheden og simuleringens nøjagtighed, især da atomreaktorer først begynder at tænde. Undersøgelsen var et samarbejde med Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety (IRSN) og Atomic Energy Commission (CEA), begge beliggende i Frankrig.

"Vi var i stand til at modellere levetiden for hver neutron i atomreaktoren, grundlæggende bygge et stamtræ for hver, " sagde Thompson. "Det vi så er, at selvom reaktoren er fuldstændig kritisk, så antallet af fissions fra den ene generation til den næste er lige, der kan være udbrud af klynger, der dannes, og andre, der hurtigt dør."

Dette klyngefænomen blev vigtigt at forstå på grund af et statistisk koncept kendt som gamblerens ruin, menes at være afledt af Blaise Pascal. I en væddemålsanalogi, konceptet siger, at selvom chancerne for en gambler vinder eller taber hver enkelt indsats er 50 procent, i løbet af nok væddemål er den statistiske sikkerhed for, at spilleren vil gå konkurs, 100 procent.

I atomreaktorer, fra generation til generation, hver neutron kan siges at have en tilsvarende 50 procent chance for at dø eller spalte for at skabe flere neutroner. Ifølge gamblerens ruin-koncept, neutronerne i en reaktor kan så have en statistisk chance for at dø helt ud i en fremtidig generation, selvom systemet er kritisk.

Dette koncept var blevet undersøgt bredt inden for andre videnskabelige områder, såsom biologi og epidemiologi, hvor dette generationsklyngerfænomen også er til stede. Ved at trække på denne relaterede statistiske matematik, forskerholdet var i stand til at analysere, om spillerens ruinkoncept ville holde stik for neutroner i atomreaktorer.

"Du ville forvente, at denne teori holder stik, " siger Jesson Hutchinson, der arbejder med Laboratoriets Advanced Nuclear Technology Group. "Du bør have et kritisk system, der mens neutronpopulationen varierer mellem generationer, løber en chance for at blive subkritisk og miste alle neutroner. Men det er ikke det, der sker."

For at forstå hvorfor gamblerens ruinkoncept ikke holdt stik, forskere brugte en laveffekt atomreaktor placeret ved Walthousen Reactor Critical Facility i New York. En lav-effekt reaktor var afgørende for at spore levetiden for individuelle neutroner, fordi storskala reaktorer kan have billioner af interaktioner til enhver tid. Holdet brugte tre forskellige neutrondetektorer, inklusive den Los Alamos-udviklede Neutron Multiplicity 3He Array Detector (NoMAD), at spore enhver interaktion inde i reaktoren.

Holdet fandt ud af, at mens generationer af neutroner ville samle sig i store stamtræer, og andre døde ud, en fuldstændig afdød blev undgået i den lille reaktor på grund af spontan fission, eller den ikke-inducerede nukleare spaltning af radioaktivt materiale inde i reaktorer, hvilket skaber flere neutroner. Den balance mellem fission og spontan fission forhindrede neutronpopulationen i at dø helt ud, og det havde også en tendens til at udjævne de energiudbrud, der blev skabt af klynger af neutroner.

"Atomreaktorer af kommerciel størrelse er ikke afhængige af neutronpopulationen alene for at nå kritikalitet, fordi de har andre indgreb som temperatur og kontrolstangindstillinger, " sagde Hutchinson. "Men denne test var interesseret i at besvare grundlæggende spørgsmål om neutronadfærd i reaktorer, og resultaterne vil have en indflydelse på den matematik, vi bruger til at simulere reaktorer og kan endda påvirke fremtidige design- og sikkerhedsprocedurer."