Оперативная критичность - Prompt criticality

В ядерная техника, мгновенная критичность описывает ядерное деление событие, в котором критичность (порог для экспоненциально нарастающей цепной реакции ядерного деления) достигается с помощью быстрые нейтроны в одиночку (нейтроны, которые высвобождаются сразу в реакции деления) и не полагается на запаздывающие нейтроны (нейтроны, выделяющиеся при последующем распаде осколков деления). В результате мгновенная критичность вызывает гораздо более быстрый рост скорости выделения энергии, чем другие формы критичности. Ядерное оружие основаны на быстрой критичности, тогда как большинство ядерных реакторов полагаются на запаздывающие нейтроны для достижения критичности.

Критичность

Сборка имеет решающее значение, если каждое событие деления вызывает в среднем ровно одно дополнительное такое событие в непрерывной цепочке. Такая цепочка представляет собой самоподдерживающееся деление. цепная реакция. Когда уран -235 (U-235) атом подвергается ядерное деление, он обычно выпускает от одного до семи нейтроны (в среднем 2,4). В этой ситуации сборка имеет решающее значение, если каждый выпущенный нейтрон имеет вероятность 1 / 2,4 = 0,42 = 42% вызвать другое событие деления, в отличие от того, чтобы любой нейтрон был поглощен неделением. событие захвата или уход из делящегося ядра.

Среднее количество нейтронов, вызывающих новые события деления, называется эффективный коэффициент размножения нейтронов, обычно обозначаемые символами k-эффективный, к-эфф или же k. Когда k-эффективный равно 1, сборка называется критической, если k-эффективный меньше 1, сборка называется подкритической, и если k-эффективный больше 1 сборка называется сверхкритической.

Критическое против оперативно-критического

В сверхкритической сборке количество делений в единицу времени, Nвместе с выработкой электроэнергии увеличивается экспоненциально со временем. Насколько быстро он растет, зависит от среднего времени, которое требуется, Т, для нейтронов, выпущенных в случае деления, чтобы вызвать другое деление. Скорость роста реакции определяется выражением:

{ Displaystyle N (т) = N_ {0} к ^ {т / Т} ,}

Большинство нейтронов, высвобождаемых в результате деления, - это те, которые высвобождаются при самом делении. Они называются мгновенными нейтронами и поражают другие ядра и вызывают дополнительное деление внутри наносекунды (средний временной интервал, используемый учеными в Манхэттенский проект был одним встряхнуть, или 10 наносекунд). Небольшим дополнительным источником нейтронов является продукты деления. Некоторые из ядер, образующихся в результате деления, являются радиоактивные изотопы с коротким период полураспада, и ядерные реакции среди них выделяются дополнительные нейтроны после длительной задержки до нескольких минут после первоначального акта деления. Эти нейтроны, которые в среднем составляют менее одного процента от общего количества нейтронов, выделяемых при делении, называются запаздывающими нейтронами. Относительно медленный временной интервал, в котором появляются запаздывающие нейтроны, является важным аспектом при проектировании ядерных реакторов, поскольку он позволяет контролировать уровень мощности реактора с помощью постепенного механического перемещения управляющих стержней. Обычно управляющие стержни содержат нейтронные яды (вещества, например бор или же гафний, которые легко захватывают нейтроны, не производя каких-либо дополнительных) как средство изменения k-эффективный. За исключением экспериментальных импульсных реакторов, ядерные реакторы спроектированы для работы в критическом режиме с запаздыванием и снабжены системами безопасности, чтобы предотвратить их быстрое достижение критичности.

В отложенно-критический сборки запаздывающие нейтроны необходимы для k-эффективный больше единицы. Таким образом, время между последовательными поколениями реакции, Т, во многом зависит от времени, необходимого для высвобождения запаздывающих нейтронов, порядка секунд или минут. Следовательно, реакция будет увеличиваться медленно с большой постоянной времени. Это достаточно медленно, чтобы можно было контролировать реакцию с помощью электромеханический Системы управления Такие как стержни управления, и как таковые все ядерные реакторы предназначены для работы в режиме отложенной критичности.

Напротив, критическая сборка называется критической, если она является критической (k = 1) без вклада от запаздывающие нейтроны и быстро-сверхкритический, если он сверхкритический (скорость деления растет экспоненциально, k> 1) без вклада запаздывающих нейтронов. В этом случае время между последовательными поколениями реакции, Т, ограничивается только скоростью деления мгновенных нейтронов, и реакция будет нарастать чрезвычайно быстро, вызывая быстрое высвобождение энергии в течение нескольких миллисекунд. Оперативно-ответственные сборки создаются проектно в ядерное оружие и несколько специально разработанных исследовательских экспериментов.

При различении мгновенного нейтрона и запаздывающего нейтрона разница между ними связана с источником, из которого нейтрон был выпущен в реактор. Нейтроны, однажды выпущенные, не имеют никакой разницы, кроме сообщенной им энергии или скорости. Ядерное оружие в значительной степени зависит от мгновенной сверхкритичности (для получения высокой пиковой мощности за доли секунды), тогда как ядерные энергетические реакторы используют отложенную критичность для получения контролируемых уровней мощности в течение месяцев или лет.

Ядерные реакторы

Чтобы запустить управляемую реакцию деления, сборка должна быть критичной с задержкой. Другими словами, k должен быть больше 1 (сверхкритический), не превышая критического порога. В ядерных реакторах это возможно из-за запаздывающих нейтронов. Поскольку до того, как эти нейтроны испускаются после события деления, проходит некоторое время, можно контролировать ядерную реакцию с помощью управляющих стержней.

Стационарный реактор (постоянной мощности) работает так, что он критичен из-за запаздывающих нейтронов, но не был бы таковым без их вклада. При постепенном и целенаправленном повышении уровня мощности реактора реактор находится в запаздывающем сверхкритическом состоянии. Экспоненциальный рост активности реактора достаточно медленный, чтобы можно было контролировать фактор критичности, kпутем вставки или извлечения стержней из материала, поглощающего нейтроны. Таким образом, используя осторожные перемещения стержней управления, можно получить сверхкритическую активную зону реактора без достижения небезопасного мгновенно-критического состояния.

Когда реакторная установка работает на заданном или расчетном уровне мощности, ее можно эксплуатировать для поддержания своего критического состояния в течение длительных периодов времени.

Оперативная критическая авария

Ядерные реакторы могут быть подвержены авариям с мгновенной критичностью, если значительное увеличение реактивности (или k-эффективный) происходит, например, после отказа их систем управления и безопасности. Быстрое неконтролируемое увеличение мощности реактора в критических условиях может привести к непоправимому повреждению реактора, а в крайних случаях может нарушить защитную оболочку реактора. Системы безопасности ядерных реакторов предназначены для предотвращения немедленной критичности и, для глубокая защита, конструкции реактора также обеспечивают несколько слоев защитной оболочки в качестве меры предосторожности против любых случайных выбросов радиоактивный продукты деления.

Считается, что за исключением исследовательских и экспериментальных реакторов, только небольшое количество аварий реакторов достигло критичности сразу же, например Чернобыль # 4, армия США SL-1, и Советская подводная лодка К-431. Во всех этих примерах неконтролируемого скачка мощности было достаточно, чтобы вызвать взрыв, который разрушил каждый реактор и выпустил радиоактивный продукты деления в атмосферу.

В Чернобыле в 1986 году плохо изученный положительный эффект аварийного останова привел к перегреву активной зоны реактора. Это привело к разрыву топливных элементов и водопроводных труб, испарению воды, паровой взрыв, и обвал. Предполагаемые уровни мощности до инцидента предполагают, что мощность превышала 30 ГВт, что в десять раз превышает максимальную тепловую мощность в 3 ГВт. В результате парового взрыва поднялась 2000-тонная крышка реакторной камеры. Поскольку реактор не проектировался с здание содержания способный сдержать этот катастрофический взрыв, авария выбросила большое количество радиоактивного материала в окружающую среду.

В двух других инцидентах реакторные установки вышли из строя из-за ошибок во время остановки на техническое обслуживание, которые были вызваны быстрым и неконтролируемым удалением по крайней мере одного регулирующего стержня. В SL-1 был прототипом реактора, предназначенным для использования армией США в удаленных полярных районах. На заводе SL-1 в 1961 году реактор был переведен из останова в критическое состояние путем ручного слишком большого извлечения центральной тяги. Когда вода в активной зоне быстро превратилась в пар и расширилась (всего за несколько миллисекунд), корпус реактора весом 26000 фунтов (12000 кг) подпрыгнул на 9 футов 1 дюйм (2,77 м), оставив отпечатки на потолке выше.^[1]^[2] Все трое мужчин, выполнявших процедуру технического обслуживания, скончались от травм. 1100 кюри продуктов деления были выпущены, когда части активной зоны были удалены. На расследование аварии и очистку территории ушло 2 года. Избыточная мгновенная реактивность активной зоны SL-1 была рассчитана в отчете за 1962 год:^[3]

Доля запаздывающих нейтронов SL-1 составляет 0,70%… Неопровержимые доказательства показали, что отклонение SL-1 было вызвано частичным удалением центрального стержня управления. Реактивность, связанная с 20-дюймовым извлечением этого одного стержня, была оценена в 2,4% δk / k, что было достаточно, чтобы вызвать немедленную критичность и перевести реактор на период в 4 миллисекунды.

в К-431 авария реактора, 10 человек погибли во время перегрузки топлива. В К-431 Взрыв разрушил соседние машинные отделения и разорвал корпус подводной лодки. В этих двух катастрофах реакторные установки перешли от полного останова до чрезвычайно высокого уровня мощности за доли секунды, повредив реакторные установки, не подлежащие ремонту.

Список случайных быстрых критических экскурсий

Ряд исследовательских реакторов и испытаний преднамеренно исследовали работу реакторной установки, работающей в критическом состоянии. CRAC, KEWB, СПЕРТ-I, Устройство Godiva, и BORAX эксперименты внес свой вклад в это исследование. Однако также произошло много аварий, в первую очередь во время исследования и переработки ядерного топлива. SL-1 - заметное исключение.

Приведенный ниже список срочных экскурсий по критическим мощностям адаптирован из отчета, представленного в 2000 году группой американских и российских ученых-ядерщиков, изучавших аварии с критичностью, опубликованной Лос-Аламосской научной лабораторией, где проходят многие экскурсии.^[4] Типичный скачок мощности составляет примерно 1 x 10¹⁷ деления.

Лос-Аламосская научная лаборатория, 21 августа 1945 г.
Лос-Аламосская научная лаборатория, декабрь 1949 г., 3 или 4 x 10¹⁶ деления
Лос-Аламосская научная лаборатория, 1 февраля 1951 г.
Лос-Аламосская научная лаборатория, 18 апреля 1952 г.
Аргоннская национальная лаборатория, 2 июня 1952 г.
Национальная лаборатория Окриджа, 26 мая 1954 г.
Национальная лаборатория Окриджа, 1 февраля 1956 г.
Лос-Аламосская научная лаборатория, 3 июля 1956 г.
Лос-Аламосская научная лаборатория, 12 февраля 1957 г.
ПО Маяк, 2 января 1958 г.
Завод Дуб Ридж Y-12, 16 июня 1958 г. (возможно)
Лос-Аламосская научная лаборатория, Авария с критичностью Сесила Келли, 30 декабря 1958 г.
SL-1, 3 января 1961 г., 4 x 10¹⁸ делений или 130 мегаджоулей (36 кВтч)
Химический завод в Айдахо, 25 января 1961 г.
Лос-Аламосская научная лаборатория, 11 декабря 1962 г.
Саров (Арзамас-16), 11 марта 1963 г.
Ракетный полигон Белых Песков, 28 мая 1965 г.
Национальная лаборатория Окриджа, 30 января 1968 г.
Челябинск-70, 5 апреля 1968 г.
Абердинский полигон, 6 сентября 1968 г.
ПО "Маяк", 10 декабря 1968 г. (2 срочные критические экскурсии)
Курчатовский институт, 15 февраля 1971 г.
Химический завод в Айдахо, 17 октября 1978 г. (критическое состояние почти сразу же)
Советская подводная лодка К-431, 10 августа 1985 г.
Чернобыльская катастрофа, 26 апреля 1986 г.
Саров (Арзамас-16), 17 июня 1997 г.
Завод по производству топлива JCO, 30 сентября 1999 г.

Ядерное оружие

В дизайне ядерное оружие, с другой стороны, необходимо быстрое достижение критичности. В самом деле, одна из конструктивных проблем, которую необходимо преодолеть при создании бомбы, состоит в том, чтобы сжать делящиеся материалы настолько, чтобы достичь мгновенной критичности до того, как цепная реакция получит шанс произвести достаточно энергии, чтобы ядро расширилось слишком сильно. Следовательно, хорошая конструкция бомбы должна выиграть гонку за плотную и быструю критическую активную зону до того, как менее мощная цепная реакция разобьет активную зону, не допуская расщепления значительного количества топлива (известного как шипеть ). Обычно это означает, что ядерные бомбы требуют особого внимания к способу сборки активной зоны, например взрыв метод, изобретенный Ричард К. Толмен, Роберт Сербер, и другие ученые из Калифорнийский университет в Беркли в 1942 г.

Смотрите также

Ссылки и ссылки

^ Такер, Тодд (2009). Атомная Америка: как смертельный взрыв и опасный адмирал изменили ход ядерной истории. Нью-Йорк: Свободная пресса. ISBN 978-1-4165-4433-3. См. Резюме: [1]
^ Стейси, Сьюзан М. (2000). "Глава 15: Инцидент SL-1" (PDF). Доказательство принципа: история Национальной инженерной и экологической лаборатории Айдахо, 1949–1999. Министерство энергетики США, Операционный офис Айдахо. С. 138–149. ISBN 978-0-16-059185-3.
^ IDO-19313 В архиве 27 сентября 2011 г. Wayback Machine Дополнительный анализ экскурсии SL-1, окончательный отчет о ходе работы с июля по октябрь 1962 г., Ноябрь 1962 г.
^ Обзор аварий с критичностью, Лос-Аламосская национальная лаборатория, LA-13638, май 2000 г. Томас П. Маклафлин, Шин П. Монахан, Норман Л. Прувост, Владимир В. Фролов, Борис Г. Рязанов и Виктор И. Свиридов.

«Ядерная энергия: принципы», Физический факультет, факультет естественных наук, университет Мансура, Мансура, Египет; очевидно, это выдержка из заметок факультета машиностроения Вашингтонского университета; сами, по-видимому, резюмированы из Bodansky, D. (1996), Ядерная энергия: принципы, практика и перспективы, AIP
Справочник по основам DOE

[Tucker-1] Такер, Тодд (2009). Атомная Америка: как смертельный взрыв и опасный адмирал изменили ход ядерной истории. Нью-Йорк: Свободная пресса. ISBN 978-1-4165-4433-3. См. Резюме: [1]

[ProvePrinciple15-2] Стейси, Сьюзан М. (2000). "Глава 15: Инцидент SL-1" (PDF). Доказательство принципа: история Национальной инженерной и экологической лаборатории Айдахо, 1949–1999. Министерство энергетики США, Операционный офис Айдахо. С. 138–149. ISBN 978-0-16-059185-3.

[3] IDO-19313 В архиве 27 сентября 2011 г. Wayback Machine Дополнительный анализ экскурсии SL-1, окончательный отчет о ходе работы с июля по октябрь 1962 г., Ноябрь 1962 г.

[4] Обзор аварий с критичностью, Лос-Аламосская национальная лаборатория, LA-13638, май 2000 г. Томас П. Маклафлин, Шин П. Монахан, Норман Л. Прувост, Владимир В. Фролов, Борис Г. Рязанов и Виктор И. Свиридов.

[1]

[2]

[3]

[4]