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科學家首次在核反應堆中驗證了中子聚集效應

根據最近發表在《Nature》雜誌物理分刊上的一項新研究,核反應堆長周期理論的中子聚集效應首次被證實,該理論和研究成果可用於提高反應堆的安全性及創建更精確的反應堆數學模型。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室

洛斯阿拉莫斯先進核技術集團(Los Alamos Advanced Nuclear Technology Group)的工程師尼古拉斯·湯普森(Nicholas Thompson)說:「中子聚集現象的理論已建立多年,但從未在運行的反應堆中進行過分析驗證。」「研究結果表明,隨着中子裂變並產生更多的中子,一些會繼續形成更大的能團,而另一些則會迅速消亡,導致所謂的『能量(中子)傾斜』,或能量(中子)不均勻分佈。」

了解這些能團波動(中子不均勻分佈)對安全性和計算模型的準確性尤其重要,特別是在核反應堆首次啟動的時候。這項研究是與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。

湯普森說:「我們模擬核反應堆中每個中子壽期內的狀態,為每個中子建立代與代間的譜系圖。可以看到的是,即使反應堆處於恰好臨界的狀態,上一代與下一代中子的裂變數量是平衡的,也可能會形成中子的不均勻分佈,有些地方中子多,而其他地方中子則很快消亡。」

有一個被稱為「賭徒破產」的統計概念(由Blaise Pascal首次提出)或許可以對這種集聚現象進行某個程度的解釋。這個概念是說,即使賭徒在每個單獨的賭局中贏或輸的幾率是50%,在進行足夠多賭局時,存在100%的概率,在某一時刻賭徒必定破產。

在核反應堆中,中子一代又一代地產生,又一代又一代地產生地消亡,每個中子或消亡或繼續進行裂變產生更多中子的幾率都差不多是50%。根據賭徒破產理論,統計上,反應堆中的中子有可能在未來的某一代完全消亡,即使系統處於臨界狀態。

這一理論在生物學和流行病學等其他科學領域也得到了廣泛研究,這些領域也存在代際集聚現象。通過利用相關的統計數學,研究小組能夠分析賭徒破產理論是否適用於核反應堆中的中子。

「你可能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傑森·哈欽森(Jesson Hutchinson)說。「有可能存在這樣一個臨界的反應堆系統,雖然中子的數量在幾代之間是不同的,但某一時刻它有可能變成次臨界狀態並失去所有的中子。但事實並非如此。」

為了理解為什麼賭徒破產理論不成立,研究人員使用了位於紐約Walthousen Reactor Critical Facility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中子反應,這不利於實驗的開展。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中子多樣性3He陣列探測器(Neutron Multiplicity3He Array Detector,NoMAD),來追蹤反應堆內部的每一次中子反應。

研究小組發現,雖然短期內幾代中子會產生集聚或消亡,但在小型反應堆中,由於反應堆內放射性物質的自發裂變或二次裂變反應將產生更多的中子,因此中子完全消亡的現象並不會產生。這種裂變和自發裂變的動態平衡防止了中子完全消亡,並能展平中子的不均勻分佈現象。

Hutchinson說:「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,因為它們有其他的反應性控制方式,比如溫度和控制棒。但這項測試的意義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模型產生影響,甚至可能影響未來的設計和安全運行程序。」

責任編輯: 李韻  來源:煎蛋網 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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