Acil kritiklik - Prompt criticality

Olarak nükleer mühendislik , istem kritiklik bir tarif nükleer fizyon olan olay kritik ile elde edilir (bir katlanarak büyüyen nükleer fizyon zincir reaksiyonu için eşik) istemi nötronlar (Bir fizyon reaksiyonda hemen salınan nötronlar) tek başına ve dayanmaz gecikmeli nötron (sonraki fisyon parçalarının bozunmasıyla salınan nötronlar). Sonuç olarak, ani süper kritiklik, diğer kritiklik biçimlerinden çok daha hızlı bir enerji salınımı oranına neden olur. Nükleer silahlar hızlı kritikliğe dayanırken, çoğu nükleer reaktör kritikliğe ulaşmak için gecikmiş nötronlara güvenir.

kritiklik

Her bir fisyon olayı, sürekli bir zincirde ortalama olarak tam olarak bir ek olaya neden oluyorsa, bir montaj kritiktir. Böyle bir zincir, kendi kendini idame ettiren bir fisyon zincir reaksiyonudur . Bir uranyum -235 (U-235) atomu nükleer fisyona uğradığında , tipik olarak bir ila yedi nötron (ortalama 2.4 ile) salar . Bu durumda, serbest bırakılan her nötronun, fisyon olmayan bir yakalama olayı tarafından absorbe edilmek veya bölünebilir çekirdekten kaçmak yerine, başka bir fisyon olayına neden olma olasılığı 1/2.4 = 0.42 = %42 ise, bir düzenek kritiktir .

Yeni fisyon olaylarına neden olan ortalama nötron sayısı, etkin nötron çarpma faktörü olarak adlandırılır ve genellikle k-etkili , k-eff veya k sembolleriyle gösterilir . Tüm K-etkin isimli 1'e eşit olması halinde, montaj, kritik olarak adlandırılır k etkili tertibatı kritik altı olduğu ve eğer söz konusu olan 1 'den az olan K-etkin 1'den yüksek olan montaj süperkritik olarak adlandırılır.

Kritik ve hızlı kritik

Süperkritik bir montajda, güç üretimi ile birlikte birim zaman başına fisyon sayısı, N , zamanla katlanarak artar . Ne kadar hızlı büyüdüğü , bir fisyon olayında salınan nötronların başka bir fisyona neden olması için geçen ortalama süreye ( T) bağlıdır . Reaksiyonun büyüme hızı şu şekilde verilir:

Bir fisyon olayı tarafından salınan nötronların çoğu, fisyonun kendisinde salınanlardır. Bunlara hızlı nötronlar denir ve diğer çekirdeklere çarpar ve nanosaniyeler içinde ek fisyonlara neden olur ( Manhattan Projesi'ndeki bilim adamları tarafından kullanılan ortalama zaman aralığı bir sallama veya 10 nanosaniye idi). Küçük bir ek nötron kaynağı fisyon ürünleridir . Fisyondan kaynaklanan çekirdeklerin bazıları, kısa yarı ömürleri olan radyoaktif izotoplardır ve aralarındaki nükleer reaksiyonlar , ilk fisyon olayından sonra birkaç dakikaya kadar uzun bir gecikmeden sonra ek nötronlar serbest bırakır. Fisyonla salınan toplam nötronların ortalama yüzde birinden daha azını oluşturan bu nötronlara gecikmeli nötronlar denir. Gecikmiş nötronların göründüğü nispeten yavaş zaman ölçeği, reaktör güç seviyesinin kontrol çubuklarının kademeli, mekanik hareketi yoluyla kontrol edilmesine izin verdiği için nükleer reaktörlerin tasarımı için önemli bir husustur. Tipik olarak, kontrol çubukları, k-etkin değiştirmenin bir yolu olarak nötron zehirleri (örneğin bor veya hafniyum , herhangi bir ek üretmeden nötronları kolayca yakalayan maddeler ) içerir . Deneysel darbeli reaktörler dışında, nükleer reaktörler gecikmeli kritik modda çalışacak şekilde tasarlanmıştır ve acil kritikliğe ulaşmalarını önlemek için güvenlik sistemleriyle donatılmıştır.

Bir de gecikmiş kritik montaj, gecikmiş nötronlar yapmak için gerekli olan k-etkili birden büyük. Böylece, reaksiyonun birbirini izleyen nesilleri arasındaki süreye, T , gecikmeli nötronların salınması için geçen süre, saniyeler veya dakikalar mertebesinde hakimdir. Bu nedenle reaksiyon, uzun bir zaman sabiti ile yavaş yavaş artacaktır. Bu, reaksiyonun kontrol çubukları gibi elektromekanik kontrol sistemleriyle kontrol edilmesine izin verecek kadar yavaştır ve buna göre tüm nükleer reaktörler gecikmeli kritiklik rejiminde çalışacak şekilde tasarlanmıştır.

Buna karşılık, kritik bir montajın, gecikmeli nötronlardan herhangi bir katkı olmadan kritik ( k=1 ) ise hızlı-kritik ve herhangi bir katkı olmaksızın süperkritik (fisyon hızı katlanarak büyüyen, k>1 ) ise hızlı-süperkritik olduğu söylenir. gecikmiş nötronlardan Bu durumda, reaksiyonun birbirini izleyen nesilleri arasındaki süre, T , yalnızca hızlı nötronlardan fisyon hızı ile sınırlıdır ve reaksiyondaki artış son derece hızlı olacak ve birkaç milisaniye içinde hızlı bir enerji salınımına neden olacaktır. Acil kritik montajlar, nükleer silahlarda ve özel olarak tasarlanmış bazı araştırma deneylerinde tasarımla oluşturulur.

Hızlı nötron ile gecikmeli nötron arasındaki fark, nötronun reaktöre salındığı kaynakla ilgilidir. Bir kez serbest bırakılan nötronların, kendilerine verilen enerji veya hız dışında hiçbir farkı yoktur. Bir nükleer silah, büyük ölçüde hızlı-süperkritikliğe (saniyenin çok küçük bir bölümünde yüksek bir tepe gücü üretmek için) dayanırken, nükleer güç reaktörleri aylar veya yıllar boyunca kontrol edilebilir güç seviyeleri üretmek için gecikmeli kritikliği kullanır.

Nükleer reaktörler

Kontrol edilebilir bir fisyon reaksiyonunu başlatmak için, düzeneğin kritik gecikmeli olması gerekir. Başka bir deyişle, k , istem-kritik eşiğini geçmeden 1'den (süperkritik) büyük olmalıdır. Nükleer reaktörlerde bu, gecikmiş nötronlar nedeniyle mümkündür. Bir fisyon olayının ardından bu nötronların yayılması biraz zaman aldığından, nükleer reaksiyonu kontrol çubukları kullanarak kontrol etmek mümkündür.

Bir kararlı durum (sabit güç) reaktörü, gecikmiş nötronlar nedeniyle kritik olacak şekilde çalıştırılır, ancak onların katkısı olmadan böyle olmazdı. Reaktör güç seviyesinde kademeli ve kasıtlı bir artış sırasında, reaktör gecikmeli-süperkritiktir. Reaktör aktivitesinin üstel artışı , nötron soğurucu malzemenin çubuklarını sokarak veya çekerek kritiklik faktörü k'yi kontrol etmeyi mümkün kılacak kadar yavaştır . Dikkatli kontrol çubuğu hareketlerini kullanarak, güvenli olmayan bir acil kritik duruma ulaşmadan süper kritik bir reaktör çekirdeği elde etmek mümkündür.

Bir reaktör tesisi bir kez hedef veya tasarım gücü seviyesinde çalıştığında, kritik durumunu uzun süreler boyunca korumak için çalıştırılabilir.

Acil kritik kazalar

Ana madde: Kritiklik kazası

Nükleer reaktörler , örneğin kontrol ve güvenlik sistemlerinin arızalanmasının ardından, reaktivitede (veya k-etkili ) büyük bir artış meydana gelirse, ani kritik kazalara karşı hassas olabilir . Ani kritik koşullarda reaktör gücündeki hızlı kontrol edilemeyen artış, reaktöre onarılamaz bir şekilde zarar verebilir ve aşırı durumlarda reaktörün muhafazasını bozabilir. Nükleer reaktörlerin güvenlik sistemleri, ani kritikliği önlemek için tasarlanmıştır ve derinlemesine savunma için , reaktör yapıları ayrıca herhangi bir radyoaktif fisyon ürününün kazara salınmasına karşı bir önlem olarak birden fazla koruma katmanı sağlar .

Araştırma ve deneysel reaktörler dışında, örneğin Çernobil #4 , ABD Ordusu'nun SL-1'i ve Sovyet denizaltısı K-431 gibi , yalnızca az sayıda reaktör kazasının hızlı kritiklik kazandığı düşünülmektedir . Tüm bu örneklerde, kontrolsüz güç dalgalanması, her reaktörü yok eden ve atmosfere radyoaktif fisyon ürünleri salan bir patlamaya neden olmak için yeterliydi .

1986'daki Çernobil'de, yeterince anlaşılmayan bir pozitif saldırı etkisi, aşırı ısınmış bir reaktör çekirdeği ile sonuçlandı. Bu, yakıt elemanlarının ve su borularının yırtılmasına, suyun buharlaşmasına, buhar patlamasına ve erimeye neden oldu. Olaydan önceki tahmini güç seviyeleri, 3 GW maksimum termal çıkışının on katı olan 30 GW'dan fazla çalıştığını gösteriyor. Reaktör odasının 2000 tonluk kapağı buhar patlamasıyla kalktı. Reaktör, bu feci patlamayı içerebilecek bir muhafaza binası ile tasarlanmadığından , kaza, çevreye büyük miktarda radyoaktif madde saldı.

Diğer iki olayda, reaktör tesisleri, en az bir kontrol çubuğunun hızlı ve kontrolsüz bir şekilde çıkarılmasından kaynaklanan bir bakım kapatması sırasındaki hatalar nedeniyle arızalandı. SL-1 uzaktan kutup yerlerde ABD Ordusu tarafından kullanılması amaçlanan bir prototip reaktör oldu. 1961'deki SL-1 tesisinde, reaktör, merkezi kontrol çubuğunun manuel olarak çok uzağa çıkarılmasıyla acil kritik duruma getirildi. Çekirdekteki su hızla buhara dönüşür ve genleşirken (sadece birkaç milisaniyede), 26.000 pound (12.000 kg) reaktör kabı 9 fit 1 inç (2.77 m) sıçradı ve yukarıdaki tavanda izlenimler bıraktı. Bakım prosedürünü gerçekleştiren üç adam da yaralanmalardan öldü. Çekirdeğin bir kısmı dışarı atılırken 1100 küri fisyon ürünü açığa çıktı. Kazayı araştırmak ve siteyi temizlemek 2 yıl sürdü. SL-1 çekirdeğinin aşırı hızlı reaktivitesi 1962 raporunda hesaplandı:

SL-1'in gecikmiş nötron fraksiyonu %0,70'dir... Kesin kanıtlar, SL-1 sapmasının merkezi kontrol çubuğunun kısmen geri çekilmesinden kaynaklandığını ortaya koydu. Bu tek çubuğun 20 inçlik geri çekilmesiyle ilişkili reaktivitenin %2,4 δk/k olduğu tahmin edilmiştir; bu, hızlı kritikliği tetiklemek ve reaktörü 4 milisaniyelik bir periyoda yerleştirmek için yeterliydi.

İçinde , K-431 , reaktör kaza, 10, bir yakıt doldurma işlemi sırasında öldürüldü. K-431 patlama bitişik makine odası tahrip ve denizaltı tekne yırtıldı. Bu iki felakette, reaktör santralleri saniyenin çok kısa bir bölümünde tamamen kapanmadan aşırı yüksek güç seviyelerine geçerek, reaktör santrallerine onarılamayacak kadar zarar verdi.

Kazara hızlı kritik gezilerin listesi

Bir dizi araştırma reaktörü ve testi, hızlı bir kritik reaktör tesisinin işleyişini kasıtlı olarak incelemiştir. CRAC , KEWB , SPERT-I , Godiva cihazı ve BORAX deneyleri bu araştırmaya katkıda bulunmuştur. Bununla birlikte, öncelikle nükleer yakıtın araştırılması ve işlenmesi sırasında birçok kaza da meydana geldi. SL-1 dikkate değer bir istisnadır.

Aşağıdaki hızlı kritik güç gezileri listesi, gezilerin çoğunun yeri olan Los Alamos Bilimsel Laboratuvarı tarafından yayınlanan kritiklik kazalarını inceleyen Amerikalı ve Rus nükleer bilim adamlarından oluşan bir ekip tarafından 2000 yılında sunulan bir rapordan uyarlanmıştır . Tipik bir güç gezisi yaklaşık 1 x 10 17 fisyondur.

Nükleer silahlar

Ana madde: Nükleer silah tasarımı

Buna karşılık, nükleer silahların tasarımında, acil kritikliğe ulaşmak esastır. Gerçekten de, bir bomba yapımında üstesinden gelinmesi gereken tasarım sorunlarından biri, zincirleme reaksiyon çekirdeğin çok fazla genişlemesine neden olacak kadar yeterli enerji üretme şansı bulamadan önce bölünebilir malzemeleri hızlı kritikliğe ulaşmak için yeterince sıkıştırmaktır. İyi bir bomba tasarımı bundan dolayı yoğun bir yarışı kazanması gerekir, bir daha düşük olan zincir reaksiyonu disassembles önce istem kritik çekirdek (a olarak bilinen fisyon yakıt önemli miktarda izin vermeden çekirdek fizzle ). Bu genel olarak, nükleer bombaların, Richard C. Tolman , Robert Serber ve Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley'deki diğer bilim adamları tarafından 1942'de icat edilen içe patlatma yöntemi gibi, çekirdeğin bir araya getirilme şekline özel dikkat gösterilmesi gerektiği anlamına gelir .

Ayrıca bakınız

Referanslar ve bağlantılar

  • "Nükleer Enerji: İlkeler" , Fizik Bölümü, Fen Fakültesi, Mansoura Üniversitesi, Mansoura, Mısır; görünüşe göre Washington Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümünden alınan notlardan alıntıdır; Bodansky, D. (1996), Nuclear Energy: Principles, Practices, and Prospects , AIP
  • DOE Temelleri El Kitabı