Okamžitá kritičnost - Prompt criticality

v jaderné inženýrství, rychlá kritičnost popisuje a jaderné štěpení událost, při které kritičnost (prahové hodnoty pro exponenciálně rostoucí řetězovou reakci jaderného štěpení) je dosaženo s rychlé neutrony samostatně (neutrony, které se okamžitě uvolní štěpnou reakcí) a nespoléhá se na ně opožděné neutrony (neutrony uvolněné při následném rozpadu štěpných fragmentů). Výsledkem je, že okamžitá kritičnost způsobí mnohem rychlejší růst rychlosti uvolňování energie než jiné formy kritičnosti. Nukleární zbraně jsou založeny na rychlé kritičnosti, zatímco většina jaderných reaktorů se při dosažení kritičnosti spoléhá na zpožděné neutrony.

Kritičnost

Sestava je kritická, pokud každá štěpná událost způsobí v průměru přesně jednu další takovou událost v kontinuálním řetězci. Takový řetězec je soběstačným štěpením řetězová reakce. Když uran -235 (U-235) atom podstoupí jaderné štěpení, obvykle se uvolňuje mezi jednou a sedmi neutrony (s průměrem 2,4). V této situaci je sestava kritická, pokud má každý uvolněný neutron pravděpodobnost 1 / 2,4 = 0,42 = 42%, že způsobí další štěpnou událost, na rozdíl od toho, že bude buď pohlcen jiným než štěpením událost zachycení nebo unikající ze štěpného jádra.

Průměrný počet neutronů, které způsobují nové štěpné události, se nazývá efektivní faktor násobení neutronů, obvykle označované symboly k-efektivní, k-eff nebo k. Když k-efektivní je rovno 1, sestava se nazývá kritická, pokud k-efektivní je menší než 1, říká se, že sestava je podkritická, a pokud k-efektivní je větší než 1, sestava se nazývá superkritická.

Kritické versus rychlé kritické

V superkritické sestavě počet štěpení za jednotku času, Nspolu s výrobou energie roste exponenciálně s časem. Jak rychle roste, záleží na průměrné době, kterou potřebuje, T, aby neutrony uvolněné při štěpení způsobily další štěpení. Rychlost růstu reakce je dána vztahem:

Většina neutronů uvolněných štěpnou událostí jsou ty, které se uvolňují při štěpení samotném. Nazývají se rychlé neutrony a zasáhnou další jádra a způsobí další štěpení uvnitř nanosekundy (průměrný časový interval používaný vědci v EU) Projekt Manhattan byl jeden otřást nebo 10 nanosekund). Malý další zdroj neutronů je štěpné produkty. Některá jádra vzniklá štěpením jsou radioaktivní izotopy s krátkým poločasy, a jaderné reakce mezi nimi uvolňují další neutrony po dlouhém zpoždění až několika minut po počáteční štěpné události. Tyto neutrony, které v průměru tvoří méně než jedno procento celkových neutronů uvolněných štěpením, se nazývají zpožděné neutrony. Relativně pomalý časový rámec, ve kterém se objevují zpožděné neutrony, je důležitým aspektem pro konstrukci jaderných reaktorů, protože umožňuje regulaci úrovně výkonu reaktoru postupným mechanickým pohybem regulačních tyčí. Řídicí tyče obvykle obsahují neutronové jedy (látky, například bór nebo hafnium, které snadno zachycují neutrony, aniž by vytvářely další) jako prostředek ke změně k-efektivní. S výjimkou experimentálních pulzních reaktorů jsou jaderné reaktory navrženy tak, aby pracovaly v režimu se zpožděným kritickým stavem, a jsou vybaveny bezpečnostními systémy, které jim brání v dosažení okamžité kritičnosti.

V zpožděno-kriticky shromáždění, je třeba vyrobit zpožděné neutrony k-efektivní větší než jeden. Tedy čas mezi po sobě následujícími generacemi reakce, T, dominuje čas potřebný k uvolnění zpožděných neutronů, v řádu sekund nebo minut. Proto bude reakce stoupat pomalu, s dlouhou časovou konstantou. To je dostatečně pomalé, aby bylo možné reakci řídit elektromechanické řídicí systémy jako ovládací tyče a jako takové jaderné reaktory jsou navrženy pro provoz v režimu zpožděné kritičnosti.

Naproti tomu se o kritické sestavě říká, že je kritická, pokud je kritická (k = 1) bez jakéhokoli příspěvku od opožděné neutrony a prompt-superkritický, pokud je superkritický (míra štěpení roste exponenciálně, k> 1) bez příspěvku zpožděných neutronů. V tomto případě čas mezi po sobě následujícími generacemi reakce, T, je omezen pouze rychlostí štěpení z rychlých neutronů a nárůst reakce bude extrémně rychlý, což způsobí rychlé uvolnění energie během několika milisekund. Rychlá kritická sestavení jsou vytvářena designem v nukleární zbraně a některé speciálně navržené výzkumné experimenty.

Při rozlišení mezi pohotovým neutronem a zpožděným neutronem se rozdíl mezi nimi týká zdroje, ze kterého byl neutron vypuštěn do reaktoru. Neutrony, jakmile jsou uvolněny, nemají žádný rozdíl kromě energie nebo rychlosti, které jim byly předány. Jaderná zbraň se do značné míry spoléhá na rychlou superkritičnost (k výrobě vysokého špičkového výkonu za zlomek sekundy), zatímco jaderné energetické reaktory používají k produkci kontrolovatelné úrovně výkonu po měsíce nebo roky zpožděnou kritičnost.

Jaderné reaktory

Aby bylo možné spustit kontrolovatelnou štěpnou reakci, musí být sestava kriticky zpožděna. Jinými slovy, k musí být větší než 1 (superkritický) bez překročení prahové hodnoty pro kritické výzvy. V jaderných reaktorech je to možné kvůli zpožděným neutronům. Protože nějakou dobu trvá, než jsou tyto neutrony emitovány po štěpení, je možné řídit jadernou reakci pomocí řídicích tyčí.

Reaktor v ustáleném stavu (s konstantním výkonem) je provozován tak, že je kritický kvůli zpožděným neutronům, ale bez jejich přispění by tomu tak nebylo. Během postupného a záměrného zvyšování úrovně výkonu reaktoru je reaktor zpožděn-nadkritický. Exponenciální nárůst aktivity reaktoru je dostatečně pomalý, aby bylo možné řídit faktor kritičnosti, k, zasunutím nebo vytažením tyčí z materiálu absorbujícího neutrony. Při pečlivém pohybu řídicích tyčí je tak možné dosáhnout superkritického jádra reaktoru, aniž by bylo dosaženo nebezpečného okamžitého kritického stavu.

Jakmile reaktorové zařízení pracuje na své cílové nebo projektované úrovni výkonu, lze jej provozovat tak, aby po dlouhou dobu udržovalo svůj kritický stav.

Okamžitá kritická nehoda

Hlavní článek: Nehoda kritičnosti

Jaderné reaktory mohou být náchylné k nehodám s okamžitou kritičností, pokud dojde k velkému zvýšení reaktivity (nebo k-efektivní) nastává např. po poruše jejich řídicích a bezpečnostních systémů. Rychlé nekontrolovatelné zvýšení výkonu reaktoru v kritických podmínkách pravděpodobně neopravitelně poškodí reaktor a v extrémních případech může narušit izolaci reaktoru. Bezpečnostní systémy jaderných reaktorů jsou navrženy tak, aby zabránily okamžité kritičnosti a pro obrana do hloubky, struktury reaktoru také poskytují více vrstev kontejnmentu jako preventivní opatření proti náhodnému úniku radioaktivní štěpné produkty.

S výjimkou výzkumných a experimentálních reaktorů se má za to, že okamžitého kritického stavu dosáhlo pouze malého počtu havárií reaktorů. Černobyl # 4, americká armáda SL-1, a Sovětská ponorka K-431. Ve všech těchto příkladech byl nekontrolovaný nárůst síly dostatečný k tomu, aby způsobil výbuch, který zničil každý reaktor a uvolnil se radioaktivní štěpné produkty do atmosféry.

V Černobylu v roce 1986 vedl špatně pochopený pozitivní efekt scram k přehřátí aktivní zóny reaktoru. To vedlo k prasknutí palivových článků a vodovodního potrubí, odpařování vody, a parní exploze a zhroucení. Odhadované úrovně výkonu před incidentem naznačují, že pracoval více než 30 GW, což je desetinásobek maximálního tepelného výkonu 3 GW. 2000-tonové víko komory reaktoru bylo zvednuto parní explozí. Protože reaktor nebyl konstruován s a budova kontejnmentu nehoda schopná zvládnout tento katastrofický výbuch, uvolnila do životního prostředí velké množství radioaktivního materiálu.

V dalších dvou případech selhaly reaktorové elektrárny kvůli chybám během odstavování údržby, které byly způsobeny rychlým a nekontrolovaným odstraněním alespoň jedné řídicí tyče. The SL-1 byl prototyp reaktoru určeného k použití americkou armádou na odlehlých polárních místech. V závodě SL-1 v roce 1961 byl reaktor uveden z odstavení do rychlého kritického stavu ručním vytažením centrální řídicí tyče příliš daleko. Jak se voda v jádře rychle přeměňovala na páru a expandovala (během několika milisekund), nádoba reaktoru o hmotnosti 26 000 liber (12 000 kg) vyskočila 9 stop 1 palec (2,77 m) a zanechala otisky ve stropu výše.[1][2] Všichni tři muži provádějící postup údržby zemřeli na zranění. Po vyloučení částí jádra bylo uvolněno 1100 kurie na štěpné produkty. Vyšetřování nehody a vyčištění místa trvalo 2 roky. Přebytečná rychlá reaktivita jádra SL-1 byla vypočítána ve zprávě z roku 1962:[3]

Zpožděná neutronová frakce SL-1 je 0,70%… Průkazné důkazy odhalily, že exkurze SL-1 byla způsobena částečným vytažením centrální řídicí tyče. Reaktivita spojená s 20palcovým odtahem této jedné tyče byla odhadnuta na 2,4% δk / k, což bylo dostatečné k vyvolání okamžité kritičnosti a umístění reaktoru na dobu 4 milisekund.

V K-431 nehoda reaktoru, 10 bylo zabito během tankování. The K-431 exploze zničila sousední strojovny a roztrhla trup ponorky. V těchto dvou katastrofách reaktorové elektrárny přešly z úplného odstavení na extrémně vysoké úrovně výkonu za zlomek sekundy, což reaktorové elektrárny neopravitelně poškodilo.

Seznam náhodných rychlých kritických výletů

Řada výzkumných reaktorů a testů záměrně zkoumala provoz rychlého zařízení kritického reaktoru. CRAC, KEWB, SPERT-I, Zařízení Godiva, a Experimenty BORAX přispěl k tomuto výzkumu. Došlo však také k mnoha nehodám, zejména při výzkumu a zpracování jaderného paliva. SL-1 je výrazná výjimka.

Následující seznam okamžitých odchylek kritického výkonu je převzat ze zprávy předložené v roce 2000 týmem amerických a ruských jaderných vědců, kteří studovali kritické nehody, publikováno vědeckou laboratoří Los Alamos, místo mnoha výletů.[4] Typická energetická odchylka je asi 1 x 1017 štěpení.

Nukleární zbraně

Hlavní článek: Návrh jaderných zbraní

V designu nukleární zbraně na druhé straně je zásadní dosáhnout rychlé kritičnosti. Jedním z konstrukčních problémů, které je třeba překonat při konstrukci bomby, je skutečně dostatečně stlačit štěpné materiály, aby bylo dosaženo okamžité kritičnosti, než bude mít řetězová reakce šanci vyprodukovat dostatek energie, aby se jádro příliš rozšířilo. Dobrý design bomby proto musí zvítězit v závodu na husté a rychlé kritické jádro, než méně výkonná řetězová reakce rozloží jádro, aniž by umožnilo štěpení významného množství paliva (známé jako šumět ). To obecně znamená, že jaderné bomby vyžadují zvláštní pozornost věnovanou způsobu montáže jádra, například imploze metoda vynalezená Richard C. Tolman, Robert Serber a další vědci z University of California, Berkeley v roce 1942.

Viz také

Odkazy a odkazy

  1. ^ Tucker, Todd (2009). Atomová Amerika: Jak smrtící exploze a obávaný admirál změnili směr jaderné historie. New York: Free Press. ISBN  978-1-4165-4433-3. Viz shrnutí: [1]
  2. ^ Stacy, Susan M. (2000). „Kapitola 15: Incident SL-1“ (PDF). Prokazování principu: Historie Idaho National Engineering and Environmental Laboratory, 1949–1999. Americké ministerstvo energetiky, Idaho Operations Office. str. 138–149. ISBN  978-0-16-059185-3.
  3. ^ IDO-19313 Archivováno 27. září 2011 v Wayback Machine Další analýza exkurze SL-1, závěrečná zpráva o pokroku od července do října 1962, Listopad 1962.
  4. ^ Přehled nehod kritičnosti, Národní laboratoř Los Alamos, LA-13638, květen 2000. Thomas P. McLaughlin, Shean P. Monahan, Norman L. Pruvost, Vladimir V. Frolov, Boris G. Ryazanov a Victor I. Sviridov.
  • „Jaderná energie: zásady“, Katedra fyziky, Přírodovědecká fakulta, Univerzita v Mansourě, Mansoura, Egypt; zřejmě výňatek z poznámek z Katedry strojírenství University of Washington; sami zjevně shrnuli z Bodansky, D. (1996), Jaderná energie: zásady, postupy a vyhlídky, AIP
  • Příručka ZÁKLADY DOE