核反應堆中長期理論中子聚集效應首次獲得證明

據媒體報導,根據最近發表在《Nature Communications Physics》上的一項新研究,核反應堆中長期理論的中子聚集效應首次被證明,這可以提高反應堆的安全性並創建出更精確的模擬。

核反應堆中長期理論中子聚集效應首次獲得證明

洛斯·阿拉莫斯先進核技術集團(Los Alamos Advanced Nuclear Technology Group)的工程師Nicholas Thompson指出:「中子聚集現象已經理論化多年,但從未在工作中的反應堆中進行過分析。研究結果表明,隨著中子裂變並產生更多的中子,一些會繼續形成大的星系團,而另一些則會迅速消亡從而導致所謂的『能量傾斜』或不對稱的能量產生。」

據悉,了解這些聚類波動對安全性和模擬的准確性尤其重要,特別是在核反應堆開始啟動的時候。這項研究是跟位於法國的輻射防護和核安全研究所(IRSN)和原子能委員會(CEA)合作進行的。

Thompson表示:「我們能模擬核反應堆中每個中子的壽命,基本上就是為每個中子建立一個家譜。我們看到的是,即使反應堆是非常關鍵的從一代到下一代的裂變數量是偶數的也可能會形成簇群,其他簇也會很快消失。」

理解這種聚集現象變得非常重要,因為有一個被稱為賭徒破產的統計概念,據信是由Blaise Pascal推導出來的。在一個賭博的類比中,這個概念指出,即使賭徒在每個單獨的賭注中贏或輸的幾率是50%,但在足夠的賭注過程中,統計上賭徒破產的可能性是100%。

在核反應堆中,一代又一代,每個中子死亡或裂變產生更多中子的幾率也都差不多是50%。根據賭徒破產概念,從統計上看,反應堆中的中子可能有機會在未來的某一代完全消失,即使系統處於臨界狀態。

這一概念在生物學和流行病學等其他科學領域也得到了廣泛研究,這些領域也存在換代聚集現象。研究小組通過利用相關的統計數學得以分析出賭徒破產概念是否適用於核反應堆中的中子。

「你會認為這個理論是正確的,」在該實驗室的先進核技術小組工作的Jesson Hutchinson說道,「你應該有一個臨界系統,雖然中子的數量在幾代人之間是不同的,但它有可能變成亞臨界並失去所有的中子。但事實並非如此。」

為了理解為什麼賭徒破產概念不成立,研究人員使用了位於紐約Walthousen反應堆關鍵設施的一個低功率核反應堆。低功率反應堆對於追蹤單個中子的壽命至關重要,因為大型反應堆在任何時候都可能有數萬億次的相互作用。該團隊使用了三種不同的中子探測器,包括洛斯阿拉莫斯開發的Neutron Multiplicity 3He Array Detector(NoMAD),其用來追蹤反應堆內部的每一次相互作用。

研究小組發現,雖然幾代中子會聚集在大型的族譜中,而其他的則會消失,但在小型反應堆中,由於自發裂變或反應堆內放射性物質的非誘導核分裂,避免了完全死亡,這將產生更多的中子。這種裂變和自發裂變的平衡防止了中子種群完全消失,而且它也傾向於緩和中子聚集產生的能量爆發。

Hutchinson說道:「商業規模的核反應堆並不僅僅依靠中子數量來達到臨界狀態,因為它們有其他的干預措施如溫度和控制棒設置。但這項測試的興趣在於回答有關反應堆中中子行為的基本問題,其結果將對我們用來模擬反應堆的數學產生影響,甚至可能影響未來的設計和安全程序。」

來源:cnBeta