Rask kritikk - Prompt criticality

I kjernekraftteknikk , rask kritiske beskriver en kjernefisjon arrangement der kritikalitet (terskelen for en eksponentielt voksende kjernefisjon chain reaction) oppnås med rask neutroner alene (nøytroner som frigis umiddelbart i et fisjonsreaksjon) og ikke er avhengig av forsinkede nøytroner (nøytroner frigjort i det påfølgende forfallet av fisjonfragmenter). Som et resultat forårsaker rask superkritikk en mye raskere vekst i energifrigjøringshastigheten enn andre former for kritikk. Atomvåpen er basert på rask kritikk, mens de fleste atomreaktorer er avhengige av forsinkede nøytroner for å oppnå kritikk.

Kritikk

En samling er kritisk hvis hver fisjonhendelse i gjennomsnitt forårsaker nøyaktig en slik hendelse i en kontinuerlig kjede. En slik kjede er en selvdrevet fisjonskjedereaksjon . Når et uran -235 (U -235) atom gjennomgår atomfisjon , frigjør det vanligvis mellom ett og syv nøytroner (med et gjennomsnitt på 2,4). I denne situasjonen er en samling kritisk hvis hvert frigjort nøytron har en 1/2,4 = 0,42 = 42% sannsynlighet for å forårsake en annen fisjonhendelse i motsetning til enten å bli absorbert av en ikke-fisjon fangsthendelse eller rømme fra den fissile kjernen.

Det gjennomsnittlige antall nøytroner som forårsaker nye fisjonhendelser kalles den effektive nøytronmultiplikasjonsfaktoren , vanligvis angitt med symbolene k-effektive , k-eff eller k . Når k-effektiv er lik 1, kalles enheten kritisk, hvis k-effektiv er mindre enn 1 sies enheten å være subkritisk, og hvis k-effektiv er større enn 1 kalles enheten superkritisk.

Kritisk kontra rask-kritisk

I en superkritisk samling øker antall fisjoner per tidsenhet, N , sammen med kraftproduksjonen eksponentielt med tiden. Hvor fort den vokser, avhenger av gjennomsnittstiden det tar, T , før nøytronene som frigjøres i en fisjon, forårsaker en annen fisjon. Veksthastigheten for reaksjonen er gitt av:

De fleste nøytronene som frigjøres ved en fisjon, er de som frigis i selve fisjonen. Disse kalles hurtige nøytroner, og rammer andre kjerner og forårsaker ekstra fisjoner innen nanosekunder (et gjennomsnittlig tidsintervall som ble brukt av forskere i Manhattan -prosjektet var en risting , eller 10 nanosekunder). En liten tilleggskilde til nøytroner er fisjonproduktene . Noen av kjernene som følge av fisjonen er radioaktive isotoper med korte halveringstider , og kjernefysiske reaksjoner blant dem frigjør ytterligere nøytroner etter en lang forsinkelse på opptil flere minutter etter den første fisjonen. Disse nøytronene, som i gjennomsnitt står for mindre enn en prosent av de totale nøytronene som frigjøres ved fisjon, kalles forsinkede nøytroner. Den relativt sakte tidsrammen som forsinkede nøytroner vises på, er et viktig aspekt for utformingen av atomreaktorer, ettersom den tillater reaktoreffektnivået å bli kontrollert via den gradvise, mekaniske bevegelsen av kontrollstenger. Kontrollstenger inneholder vanligvis nøytrongift (stoffer, for eksempel bor eller hafnium , som lett fanger opp nøytroner uten å produsere flere) som et middel til å endre k-effektive . Med unntak av eksperimentelle pulserende reaktorer, er atomreaktorer designet for å operere i en forsinket kritisk modus og er utstyrt med sikkerhetssystemer for å forhindre at de noen gang oppnår rask kritikk.

I en forsinket kritisk sammenstilling er de forsinkede nøytronene nødvendige for å gjøre k-effektiv større enn én. Dermed domineres tiden mellom påfølgende generasjoner av reaksjonen, T , av tiden det tar før de forsinkede nøytronene frigjøres, i størrelsesorden sekunder eller minutter. Derfor vil reaksjonen øke sakte, med en lang tidskonstant. Dette er sakte nok til at reaksjonen kan kontrolleres med elektromekaniske kontrollsystemer som kontrollstenger , og følgelig er alle atomreaktorer designet for å fungere i regimet med forsinket kritikk.

I kontrast sies det at en kritisk samling er hurtigkritisk hvis den er kritisk ( k = 1 ) uten bidrag fra forsinkede nøytroner og hurtig-superkritisk hvis den er superkritisk (fisjonen vokser eksponentielt, k> 1 ) uten noe bidrag fra forsinkede nøytroner. I dette tilfellet er tiden mellom påfølgende generasjoner av reaksjonen, T , begrenset bare av fisjonen fra de hurtige nøytronene, og økningen i reaksjonen vil være ekstremt rask og forårsake en rask frigjøring av energi i løpet av få millisekunder. Hurtigkritiske forsamlinger er laget av design i atomvåpen og noen spesialdesignede forskningseksperimenter.

Forskjellen mellom et raskt nøytron og et forsinket nøytron har å gjøre med kilden som nøytronet er sluppet ut i reaktoren. Nøytronene, når de først er frigitt, har ingen forskjell bortsett fra energien eller hastigheten som er gitt dem. Et atomvåpen er sterkt avhengig av hurtig-overkritikk (for å produsere en høy toppeffekt på en brøkdel av et sekund), mens atomkraftreaktorer bruker forsinket kritikk for å produsere kontrollerbare kraftnivåer i måneder eller år.

Atomreaktorer

For å starte en kontrollerbar fisjonreaksjon må forsamlingen være kritisk forsinket. Med andre ord må k være større enn 1 (superkritisk) uten å krysse den hurtigkritiske terskelen. I atomreaktorer er dette mulig på grunn av forsinkede nøytroner. Fordi det tar litt tid før disse nøytronene slippes ut etter en fisjonhendelse, er det mulig å kontrollere atomreaksjonen ved hjelp av kontrollstenger.

En steady-state (konstant effekt) reaktor drives slik at den er kritisk på grunn av forsinkede nøytroner, men ville ikke vært det uten deres bidrag. Under en gradvis og bevisst økning i reaktoreffektnivået er reaktoren forsinket-superkritisk. Den eksponentielle økningen av reaktoraktiviteten er treg nok til å gjøre det mulig å kontrollere kritikalitetsfaktoren, k , ved å sette inn eller ta ut stenger av nøytronabsorberende materiale. Ved å bruke forsiktige kontrollstangbevegelser er det dermed mulig å oppnå en superkritisk reaktorkjerne uten å nå en usikker hurtigkritisk tilstand.

Når et reaktoranlegg opererer på sitt mål- eller designeffektnivå, kan det drives for å opprettholde sin kritiske tilstand i lange perioder.

Ber om kritiske ulykker

Hovedartikkel: Kritikkulykke

Atomreaktorer kan være utsatt for ulykker med umiddelbar kritikk hvis en stor økning i reaktivitet (eller k-effektiv ) oppstår, f.eks. Etter feil i kontroll- og sikkerhetssystemene. Den raske, ukontrollerbare økningen i reaktorkraften under raske kritiske forhold vil sannsynligvis skade reaktoren uopprettelig, og i ekstreme tilfeller kan den bryte inneslutningen av reaktoren. Kjernefysiske reaktors sikkerhetssystemer er utformet for å forhindre rask kritikk, og for dybdeforsvar gir reaktorstrukturer også flere lag med inneslutning som en forholdsregel mot utilsiktede utslipp av radioaktive fisjonprodukter .

Med unntak av forsknings- og eksperimentelle reaktorer antas bare et lite antall reaktorulykker å ha oppnådd rask kritikk, for eksempel Tsjernobyl #4 , den amerikanske hærens SL-1 og sovjetiske ubåt K-431 . I alle disse eksemplene var den ukontrollerte kraftovergangen tilstrekkelig til å forårsake en eksplosjon som ødela hver reaktor og frigjorde radioaktive fisjonprodukter til atmosfæren.

I Tsjernobyl i 1986 resulterte en dårlig forstått positiv svindeleffekt i en overopphetet reaktorkjerne. Dette førte til brudd på drivstoffelementene og vannrørene, fordampning av vann, en dampeksplosjon og en nedsmeltning. Anslått effektnivå før hendelsen antyder at den opererte over 30 GW, ti ganger maksimal 3 GW maksimal termisk effekt. Reaktorkammerets lokk på 2000 tonn ble løftet av dampeksplosjonen. Siden reaktoren ikke var konstruert med en inneslutningsbygning som kunne inneholde denne katastrofale eksplosjonen, frigjorde ulykken store mengder radioaktivt materiale i miljøet.

I de to andre hendelsene mislyktes reaktoranleggene på grunn av feil under en vedlikeholdsstans som ble forårsaket av rask og ukontrollert fjerning av minst én kontrollstang. Den SL-en var en prototype reaktor beregnet for bruk av US Army i fjern polare steder. Ved SL-1-anlegget i 1961 ble reaktoren brakt fra nedleggelse til kritisk tilstand ved å trekke ut den sentrale kontrollstangen for langt. Da vannet i kjernen raskt konverterte til damp og ekspanderte (på bare noen få millisekunder), hoppet reaktorfartøyet på 26 000 pund (2,77 m) og etterlot inntrykk i taket ovenfor. Alle tre mennene som utførte vedlikeholdsprosedyren døde av skader. 1100 kurier med fisjonprodukter ble frigitt da deler av kjernen ble utvist. Det tok 2 år å undersøke ulykken og rydde opp på stedet. Den overflødige hurtigreaktiviteten til SL-1-kjernen ble beregnet i en rapport fra 1962:

Den forsinkede nøytronfraksjonen av SL-1 er 0,70%... Avgjørende bevis avslørte at SL-1-ekskursjonen var forårsaket av delvis tilbaketrekking av den sentrale kontrollstangen. Reaktiviteten forbundet med 20-tommers tilbaketrekning av denne ene stangen har blitt estimert til å være 2,4% δk/k, noe som var tilstrekkelig til å indusere rask kritikk og plassere reaktoren i en periode på 4 millisekunder.

I reaktorulykken K-431 ble 10 drept under en tanking. De K-431 eksplosjon ødela de tilstøtende maskinrom og sprukket ubåtens skrog. I disse to katastrofene gikk reaktoranleggene fra fullstendig nedstengning til ekstremt høye effektnivåer på en brøkdel av et sekund, og skadet reaktoranleggene som ikke kunne repareres.

Liste over utilsiktede kritiske utflukter

En rekke forskningsreaktorer og tester har bevisst undersøkt driften av et raskt kritisk reaktoranlegg. CRAC , KEWB , SPERT-I , Godiva device og BORAX eksperimenter bidro til denne forskningen. Mange ulykker har imidlertid også skjedd, først og fremst under forskning og behandling av atombrensel. SL-1 er det bemerkelsesverdige unntaket.

Følgende liste over hurtige kritiske kraftutflukter er tilpasset fra en rapport som ble sendt inn i 2000 av et team av amerikanske og russiske atomforskere som studerte kritikkulykker , publisert av Los Alamos Scientific Laboratory, hvor mange av ekskursjonene ligger. En typisk strømutflukt er omtrent 1 x 10 17 fisjoner.

Atomvåpen

Hovedartikkel: Design av atomvåpen

I utformingen av atomvåpen , derimot, er det viktig å oppnå rask kritikk. Et av designproblemene som skal overvinnes ved konstruksjon av en bombe er faktisk å komprimere de splittelige materialene nok til å oppnå rask kritikk før kjedereaksjonen har en sjanse til å produsere nok energi til at kjernen ekspanderer for mye. Et godt bombedesign må derfor vinne løpet til en tett, rask kritisk kjerne før en mindre kraftig kjedereaksjon demonterer kjernen uten å tillate en betydelig mengde drivstoff å fisjonere (kjent som en fizzle ). Dette betyr generelt at atombomber trenger spesiell oppmerksomhet til måten kjernen samles på, for eksempel implosjonsmetoden oppfunnet av Richard C. Tolman , Robert Serber og andre forskere ved University of California, Berkeley i 1942.

Se også

Referanser og lenker

  • "Nuclear Energy: Principles" , fysikkavdeling, Det naturvitenskapelige fakultet, Mansoura University, Mansoura, Egypt; tilsynelatende utdrag fra notater fra University of Washington Department of Mechanical Engineering; selv tilsynelatende oppsummert fra Bodansky, D. (1996), Nuclear Energy: Principles, Practices, and Prospects , AIP
  • DOE Fundamentals Handbook