Безопасность ядерной критичности — это область ядерной инженерии, посвященная предотвращению ядерных и радиационных аварий, возникающих в результате непреднамеренной, самоподдерживающейся цепной ядерной реакции . [1]
Безопасность ядерной критичности связана со смягчением последствий аварии ядерной критичности . Авария ядерной критичности происходит в результате операций, в которых задействованы делящиеся материалы, и приводит к внезапному и потенциально смертельному выбросу радиации .
Специалисты по безопасности ядерной критичности пытаются предотвратить аварии с ядерной критичностью, анализируя нормальные и вероятные ненормальные условия в операциях с делящимися материалами и разрабатывая безопасные механизмы для обработки делящихся материалов. Распространенной практикой является применение двойного анализа непредвиденных обстоятельств к операции, в которой два или более независимых, одновременных и маловероятных изменения в условиях процесса должны произойти до того, как может произойти авария с ядерной критичностью. Например, первым изменением условий может быть полное или частичное затопление, а вторым изменением — перераспределение делящегося материала.
Контроль (требования) параметров процесса (например, масса делящегося материала, оборудование) вытекает из этого анализа. Эти элементы управления, пассивные (физические), активные (механические) или административные (человеческие), реализуются посредством изначально безопасных или отказоустойчивых конструкций установок или, если такие конструкции нецелесообразны, посредством административного контроля , такого как рабочие процедуры, должностные инструкции и другие средства для минимизации возможности значительных изменений процесса, которые могут привести к аварии с ядерной критичностью.
В качестве упрощенного анализа, система будет точно критической, если скорость производства нейтронов от деления точно сбалансирована скоростью, с которой нейтроны либо поглощаются, либо теряются из системы из-за утечки. Безопасные подкритические системы могут быть спроектированы, гарантируя, что потенциальная объединенная скорость поглощения и утечки всегда превышает потенциальную скорость производства нейтронов.
Параметры, влияющие на критичность системы, можно запомнить с помощью мнемонического MAGICMERV . Некоторые из этих параметров не являются независимыми друг от друга; например, изменение массы приведет к изменению объема и т. д.
Масса : Вероятность деления увеличивается с увеличением общего числа делящихся ядер. Зависимость нелинейная. Если делящееся тело имеет заданные размер и форму, но переменную плотность и массу, существует порог, ниже которого критичность не может возникнуть. Этот порог называется критической массой .
Поглощение : Поглощение удаляет нейтроны из системы. Большие количества поглотителей используются для контроля или снижения вероятности критичности. Хорошими поглотителями являются бор , кадмий , гадолиний , серебро и индий .
Геометрия /форма : Форма делящейся системы влияет на то, насколько легко нейтроны могут выходить (просачиваться) из нее, в этом случае они не могут вызвать события деления в делящемся материале. Таким образом, форма делящегося материала влияет на вероятность возникновения событий деления. Форма с большой площадью поверхности, например, тонкая пластина, способствует утечке и безопаснее, чем такое же количество делящегося материала в небольшой, компактной форме, например, кубе или сфере.
Взаимодействие блоков : Нейтроны , вытекающие из одного блока, могут проникать в другой. Два блока, которые сами по себе являются подкритическими, могут взаимодействовать друг с другом, образуя критическую систему. Расстояние, разделяющее блоки, и любой материал между ними влияют на эффект.
Концентрация /Плотность : нейтронные реакции, приводящие к реакциям рассеяния, захвата или деления, с большей вероятностью происходят в плотных материалах; и наоборот, нейтроны с большей вероятностью будут выходить (утекать) из материалов с низкой плотностью.
Замедление : Нейтроны , возникающие в результате деления, обычно быстрые (высокоэнергетические). Эти быстрые нейтроны не вызывают деление так же легко, как более медленные (менее энергичные). Нейтроны замедляются ( замедляются ) при столкновении с атомными ядрами. Наиболее эффективными замедляющими ядрами являются водород, дейтерий , бериллий и углерод. Следовательно, водородсодержащие материалы, включая нефть, полиэтилен, воду, дерево, парафин и человеческое тело, являются хорошими замедлителями. Обратите внимание, что замедление происходит за счет столкновений; поэтому большинство замедлителей также являются хорошими отражателями.
Обогащение : Вероятность реакции нейтрона с делящимся ядром зависит от относительного количества делящихся и неделящихся ядер в системе. Процесс увеличения относительного количества делящихся ядер в системе называется обогащением . Обычно низкое обогащение означает меньшую вероятность критичности, а высокое обогащение означает большую вероятность.
Отражение : Когда нейтроны сталкиваются с другими атомными частицами (в первую очередь ядрами) и не поглощаются, они рассеиваются (т. е. меняют направление). Если изменение направления достаточно велико, нейтроны, которые только что вылетели из делящегося тела, могут быть отклонены обратно в него, увеличивая вероятность деления. Это называется «отражением». Хорошими отражателями являются водород, бериллий , углерод, свинец, уран, вода, полиэтилен, бетон, карбид вольфрама и сталь.
V olume : Для тела делящегося материала любой заданной формы увеличение размера тела увеличивает среднее расстояние, которое нейтроны должны пройти, прежде чем они достигнут поверхности и вырвутся. Следовательно, увеличение размера тела увеличивает вероятность деления и уменьшает вероятность утечки. Следовательно, для любой заданной формы (и условий отражения - см. ниже) будет размер, который дает точный баланс между скоростью производства нейтронов и объединенной скоростью поглощения и утечки. Это критический размер.
Другие параметры включают в себя:
Температура : Этот конкретный параметр реже рассматривается специалистами по безопасности критичности, поскольку изменения температуры в типичной рабочей среде часто минимальны или вряд ли окажут неблагоприятное влияние на критичность системы. Часто предполагается, что фактическая температура анализируемой системы близка к комнатной температуре. Известными исключениями из этого предположения являются высокотемпературные реакторы и низкотемпературные криогенные эксперименты.
Гетерогенность : смешивание делящихся порошков в растворе, измельчение порошков или отходов или другие процессы, которые влияют на мелкомасштабную структуру делящихся материалов, важны. Хотя обычно это называют контролем гетерогенности, обычно проблема заключается в поддержании гомогенности, поскольку гомогенный случай обычно менее реактивен. В частности, при более низком обогащении система может быть более реактивной в гетерогенной конфигурации по сравнению с гомогенной конфигурацией. [2]
Физико-химическая форма : состоит из контроля физического состояния (т. е. твердое, жидкое или газообразное) и формы (например, раствор, порошок, зеленые или спеченные таблетки или металл) и/или химического состава (например, гексафторид урана, фторид уранила, нитрат плутония или смешанный оксид) конкретного расщепляющегося материала. Физико-химическая форма может косвенно влиять на другие параметры, такие как плотность, замедление и поглощение нейтронов.
Чтобы определить, безопасна ли данная система, содержащая делящийся материал, необходимо рассчитать ее нейтронный баланс. Во всех случаях, кроме самых простых, это обычно требует использования компьютерных программ для моделирования геометрии системы и свойств ее материалов.
Аналитик описывает геометрию системы и материалов, обычно с консервативными или пессимистическими предположениями. Плотность и размер любых поглотителей нейтронов минимизируются, в то время как количество делящегося материала максимизируется. Поскольку некоторые замедлители также являются поглотителями, аналитик должен быть осторожен при их моделировании, чтобы быть пессимистичным. Компьютерные коды позволяют аналитикам описывать трехмерную систему с граничными условиями. Эти граничные условия могут представлять реальные границы, такие как бетонные стены или поверхность пруда, или могут использоваться для представления искусственной бесконечной системы с использованием периодического граничного условия. Они полезны при представлении большой системы, состоящей из множества повторяющихся единиц.
Компьютерные коды, используемые для анализа безопасности критичности, включают OPENMC (MIT), COG (США), [3] MONK (Великобритания), [4] SCALE/KENO (США), [5] MCNP (США), [6] и CRISTAL (Франция). [7]
Традиционные анализы критичности предполагают, что расщепляющийся материал находится в наиболее реактивном состоянии, которое обычно соответствует максимальному обогащению , без облучения. Для хранения и транспортировки отработанного ядерного топлива может использоваться кредит выгорания, позволяющий более плотно упаковывать топливо, сокращая пространство и позволяя безопасно обращаться с большим количеством топлива. Для реализации кредита выгорания топливо моделируется как облученное с использованием пессимистических условий, которые создают изотопный состав, представляющий все облученное топливо. Облучение топлива производит актиниды, состоящие как из поглотителей нейтронов, так и из делящихся изотопов, а также продукты деления , которые поглощают нейтроны .
В бассейнах хранения топлива, использующих кредит выгорания , отдельные области предназначены для хранения свежего и облученного топлива. Для хранения топлива в хранилище облученного топлива оно должно удовлетворять кривой загрузки [ требуется цитата ], которая зависит от начального обогащения и облучения.