Prvi put prikazano grupiranja neutrona u nuklearnim reaktorima
Po prvi puta je dokazano dugo teoretizirano djelovanje nakupina neutrona u nuklearnim reaktorima, što bi moglo poboljšati sigurnost reaktora i stvoriti preciznije simulacije, prema novoj studiji nedavno objavljenoj u časopisu Nature Communications Physics.
"Fenomen grupiranja neutrona bio je teoretiziran godinama, ali nikada nije analiziran u ispravnom reaktoru", rekao je Nicholas Thompson, inženjer iz Los Alamos Advanced Nuclear Technology grupe. "Nalazi ukazuju da, dok se neutroni cijepaju i stvaraju više neutrona, neki nastaju stvarajući velike loze nakupina, dok drugi brzo odumiru, što rezultira takozvanim" nagibima snage ili asimetričnom proizvodnjom energije."
Razumijevanje ovih fluktuacija klastera posebno je važno za sigurnost i preciznost simulacije, posebno kad se nuklearni reaktori počnu uključivati.
"Uspjeli smo modelirati život svakog neutrona u nuklearnom reaktoru, u osnovi gradeći obiteljsko stablo za svaki od njih", rekao je Thompson. "Ono što smo vidjeli je da, čak i ako je reaktor savršeno kritičan, pa je broj fisija iz generacije u generaciju ujednačen, može doći do rafala nakupina koje brzo odumiru."
Ovaj fenomen grupiranja postao je važan za razumijevanje zbog statističkog koncepta poznatog kao vjerojatnost kockareve propasti, za kojeg se vjeruje da ga je izveo Blaise Pascal. U analogiji s klađenjem, koncept kaže da čak i ako su šanse da kockar pobijedi ili izgubi svaku pojedinačnu okladu 50 posto, tijekom dovoljnog broja oklada statistička sigurnost da će kockar bankrotirati iznosi 100 posto.
U nuklearnim reaktorima, iz generacije u generaciju, može se reći da svaki neutron ima slične 50-postotne šanse da umre ili preživi kako bi stvorio više neutrona. Prema konceptu vjerojatnosti kockareve propasti, neutroni u reaktoru tada bi mogli imati statističku šansu da potpuno odumru kod neke buduće generacije.
Ovaj je koncept široko proučavan u drugim znanstvenim područjima, kao što su biologija i epidemiologija, gdje je također prisutan ovaj fenomen generacijskog grupiranja. Oslanjajući se na ovu povezanu statističku matematiku, istraživački tim uspio je analizirati hoće li koncept vrijediti za neutrone u nuklearnim reaktorima.
"Očekivali biste da će ova teorija biti istinita", kaže Jesson Hutchinson, koji radi u Laboratoriju za naprednu nuklearnu tehnologiju. "Trebali biste imati kritični sustav koji, iako se populacija neutrona razlikuje između generacija, ima neke šanse da postane podkritičan i izgubi sve neutrone. Ali to se ne događa."
Da bi razumjeli zašto koncept vjerojatnosti kockareve propasti nije istinit, istraživači su koristili nuklearni reaktor male snage smješten u kritičnom pogonu reaktora Walthousen u New Yorku. Reaktor male snage bio je presudan za praćenje životnog vijeka pojedinih neutrona, jer reaktori velikih razmjera mogu u bilo kojem trenutku imati trilijune interakcija. Tim je koristio tri različita neutronska detektora, uključujući detektor niza Neutron Multiplicity 3He Array (NoMAD) koji je razvio Los Alamos, kako bi pratio svaku interakciju unutar reaktora.
Tim je otkrio da dok se generacije neutrona skupljaju u velikim obiteljskim stablima, a drugi odumiru, izbjegnuto je potpuno odumiranje u malom reaktoru zbog spontane fisije ili neinduciranog nuklearnog cijepanja radioaktivnog materijala unutar reaktora, što stvara više neutrona. Ta ravnoteža fisije i spontane fisije spriječila je potpuno izumiranje populacije neutrona, a također je nastojala izgladiti energetske nalete stvorene nakupinama neutrona.
"Nuklearni reaktori komercijalne veličine ne ovise samo o populaciji neutrona da bi postigli kritičnost, jer imaju druge intervencije poput temperature i postavki kontrolne šipke", rekao je Hutchinson. "Ali ovaj je test bio zainteresiran za odgovor na temeljna pitanja o ponašanju neutrona u reaktorima, a rezultati će utjecati na matematiku koju koristimo za simulaciju reaktora, a mogli bi utjecati i na buduće postupke dizajna i sigurnosti."
Izvor: Los Alamos