В ядерной инженерии мгновенная критичность описывает событие ядерного деления , в котором критичность (порог для экспоненциально растущей цепной реакции ядерного деления) достигается только с помощью мгновенных нейтронов и не зависит от запаздывающих нейтронов . В результате мгновенная сверхкритичность вызывает гораздо более быстрый рост скорости высвобождения энергии, чем другие формы критичности. Ядерное оружие основано на мгновенной критичности, в то время как ядерные реакторы полагаются на запаздывающие нейтроны или внешние нейтроны для достижения критичности.
Сборка является критической, если каждое событие деления вызывает в среднем ровно одно дополнительное такое событие в непрерывной цепочке. Такая цепочка является самоподдерживающейся цепной реакцией деления . Когда атом урана -235 (U-235) подвергается ядерному делению , он обычно высвобождает от одного до семи нейтронов (со средним значением 2,4). В этой ситуации сборка является критической, если каждый высвобождаемый нейтрон имеет вероятность 1 / 2,4 = 0,42 = 42 % вызвать другое событие деления, в отличие от поглощения событием захвата без деления или выхода из делящегося ядра.
Среднее число нейтронов, вызывающих новые акты деления, называется эффективным коэффициентом размножения нейтронов , обычно обозначаемым символами k-effective , k-eff или k . Когда k-effective равен 1, сборка называется критической, если k-effective меньше 1, сборка называется подкритической, а если k-effective больше 1, сборка называется сверхкритической.
В сверхкритической сборке число делений в единицу времени, N , вместе с выработкой энергии, увеличивается экспоненциально со временем. То, насколько быстро оно растет, зависит от среднего времени, T , которое требуется нейтронам, высвобождаемым в акте деления, чтобы вызвать другое деление. Скорость роста реакции определяется по формуле:
Большинство нейтронов, высвобождаемых в результате деления, высвобождаются в самом деле. Они называются мгновенными нейтронами и поражают другие ядра и вызывают дополнительные деления в течение наносекунд (средний временной интервал, используемый учеными в Манхэттенском проекте, составлял одно колебание , или 10 нс). Небольшим дополнительным источником нейтронов являются продукты деления . Некоторые из ядер, образующихся в результате деления, являются радиоактивными изотопами с коротким периодом полураспада , и ядерные реакции среди них высвобождают дополнительные нейтроны после длительной задержки до нескольких минут после первоначального деления. Эти нейтроны, которые в среднем составляют менее одного процента от общего числа нейтронов, высвобождаемых в результате деления, называются запаздывающими нейтронами. Относительно медленная временная шкала, в которой появляются запаздывающие нейтроны, является важным аспектом для проектирования ядерных реакторов, поскольку она позволяет контролировать уровень мощности реактора посредством постепенного механического перемещения регулирующих стержней. Обычно стержни управления содержат нейтронные яды (вещества, например, бор или гафний , которые легко захватывают нейтроны, не производя никаких дополнительных) в качестве средства изменения k-effective . За исключением экспериментальных импульсных реакторов, ядерные реакторы предназначены для работы в режиме замедленной критичности и снабжены системами безопасности, чтобы не допустить достижения ими мгновенной критичности.
В сборке с задержкой критичности запаздывающие нейтроны необходимы для того, чтобы сделать k-эффективным больше единицы. Таким образом, время между последовательными поколениями реакции, T , доминирует над временем, которое требуется для высвобождения запаздывающих нейтронов, порядка секунд или минут. Поэтому реакция будет нарастать медленно, с большой постоянной времени. Это достаточно медленно, чтобы позволить управлять реакцией с помощью электромеханических систем управления, таких как регулирующие стержни , и, соответственно, все ядерные реакторы спроектированы для работы в режиме задержкой критичности.
Напротив, критическая сборка называется мгновенно-критической, если она является критической ( k = 1 ) без какого-либо вклада от запаздывающих нейтронов , и мгновенно-сверхкритической, если она является сверхкритической (скорость деления растет экспоненциально, k > 1 ) без какого-либо вклада от запаздывающих нейтронов. В этом случае время между последовательными поколениями реакции, T , ограничено только скоростью деления от мгновенных нейтронов, и рост реакции будет чрезвычайно быстрым, вызывая быстрое высвобождение энергии в течение нескольких миллисекунд. Мгновенно-критические сборки создаются намеренно в ядерном оружии и некоторых специально разработанных исследовательских экспериментах.
Разница между мгновенным нейтроном и запаздывающим нейтроном связана с источником, из которого нейтрон был выпущен в реактор. Нейтроны, будучи выпущенными, не имеют никакой разницы, кроме энергии или скорости, которые им были сообщены. Ядерное оружие в значительной степени полагается на мгновенную сверхкритичность (чтобы производить высокую пиковую мощность за долю секунды), тогда как ядерные энергетические реакторы используют запаздывающую критичность для производства контролируемых уровней мощности в течение месяцев или лет.
Для того чтобы запустить контролируемую реакцию деления, сборка должна быть задержанно-критической. Другими словами, k должно быть больше 1 (сверхкритично), не пересекая порог мгновенной критичности. В ядерных реакторах это возможно из-за запаздывающих нейтронов. Поскольку требуется некоторое время, прежде чем эти нейтроны будут испущены после события деления, можно управлять ядерной реакцией с помощью стержней управления.
Стационарный (постоянной мощности) реактор работает так, что он является критическим из-за запаздывающих нейтронов, но не был бы таковым без их вклада. При постепенном и преднамеренном увеличении уровня мощности реактора реактор является запаздывающе-сверхкритическим. Экспоненциальное увеличение активности реактора достаточно медленное, чтобы сделать возможным управление фактором критичности, k , путем вставки или извлечения стержней из поглощающего нейтроны материала. Используя осторожные перемещения стержней управления, таким образом, можно достичь сверхкритической активной зоны реактора, не достигая небезопасного мгновенно-критического состояния.
После того как реакторная установка выйдет на целевой или проектный уровень мощности, ее можно эксплуатировать для поддержания критического состояния в течение длительных периодов времени.
Ядерные реакторы могут быть подвержены авариям с мгновенной критичностью, если происходит большое увеличение реактивности (или k-эффективной ), например, после отказа их систем управления и безопасности. Быстрое неконтролируемое увеличение мощности реактора в условиях мгновенной критичности, вероятно, непоправимо повредит реактор и в экстремальных случаях может нарушить герметичность реактора. Системы безопасности ядерных реакторов предназначены для предотвращения мгновенной критичности, и для глубокоэшелонированной защиты конструкции реактора также обеспечивают несколько слоев герметичности в качестве меры предосторожности против любых случайных выбросов радиоактивных продуктов деления .
За исключением исследовательских и экспериментальных реакторов, только небольшое количество аварий реакторов, как полагают, достигли мгновенной критичности, например, Чернобыль № 4 , SL-1 армии США и советская подводная лодка К-431 . Во всех этих примерах неконтролируемый скачок мощности был достаточным, чтобы вызвать взрыв, который уничтожил каждый реактор и выбросил радиоактивные продукты деления в атмосферу.
В Чернобыле в 1986 году плохо изученный положительный эффект аварийной остановки привел к перегреву активной зоны реактора. Это привело к разрыву топливных элементов и водопроводных труб, испарению воды, паровому взрыву и возгоранию графита. Оценочные уровни мощности до инцидента предполагают, что он работал с мощностью более 30 ГВт, что в десять раз превышает его максимальную тепловую мощность в 3 ГВт. Крышка камеры реактора весом 2000 тонн была поднята паровым взрывом. Поскольку реактор не был спроектирован с защитным сооружением, способным удержать этот катастрофический взрыв, авария привела к выбросу большого количества радиоактивных материалов в окружающую среду.
В двух других инцидентах реакторные установки вышли из строя из-за ошибок во время остановки на техническое обслуживание, вызванных быстрым и неконтролируемым удалением по крайней мере одного стержня управления. SL-1 был прототипом реактора, предназначенного для использования армией США в отдаленных полярных местах. На установке SL-1 в 1961 году реактор был переведен из состояния остановки в критическое состояние на быстрой реакции путем ручного извлечения центрального стержня управления слишком далеко. Поскольку вода в активной зоне быстро превратилась в пар и расширилась (всего за несколько миллисекунд), 26 000-фунтовый (12 000 кг) корпус реактора подпрыгнул на 9 футов 1 дюйм (2,77 м), оставив следы на потолке над ним. [1] [2] Все три человека, выполнявшие процедуру технического обслуживания, погибли от травм. 1100 кюри продуктов деления были выброшены, когда части активной зоны были выброшены. Потребовалось 2 года, чтобы расследовать аварию и очистить место происшествия. Избыточная реактивность активной зоны SL-1 на быстрой реакции была рассчитана в отчете 1962 года: [3]
Доля запаздывающих нейтронов SL-1 составляет 0,70%... Убедительные доказательства показали, что скачок SL-1 был вызван частичным извлечением центрального стержня управления. Реактивность, связанная с 20-дюймовым извлечением этого одного стержня, была оценена в 2,4% δk/k, что было достаточно, чтобы вызвать мгновенную критичность и перевести реактор на период 4 миллисекунды.
В аварии реактора К-431 10 человек погибли во время операции по перегрузке топлива. Взрыв К-431 разрушил соседние машинные отделения и разорвал корпус подлодки. В этих двух катастрофах реакторные установки перешли от полного отключения к чрезвычайно высоким уровням мощности за доли секунды, повредив реакторные установки без возможности восстановления.
Ряд исследовательских реакторов и испытаний были намеренно исследованы работы реакторной установки с мгновенным критическим уровнем. Эксперименты CRAC , KEWB, SPERT-I , Godiva device и BORAX внесли свой вклад в это исследование. Однако также произошло много аварий, в основном во время исследований и переработки ядерного топлива. SL-1 является заметным исключением.
Следующий список мгновенных критических скачков мощности взят из отчета, представленного в 2000 году группой американских и российских ученых-атомщиков, которые изучали аварии, связанные с критичностью , опубликованного Лос-Аламосской научной лабораторией, где произошли многие из скачков. [4] Типичный скачок мощности составляет около 1 x 1017 делений.
В конструкции ядерного оружия , напротив, достижение мгновенной критичности является существенным. Действительно, одной из проблем проектирования, которую необходимо преодолеть при создании бомбы, является сжатие расщепляющихся материалов достаточно для достижения мгновенной критичности до того, как цепная реакция получит шанс произвести достаточно энергии, чтобы вызвать слишком большое расширение ядра. Поэтому хорошая конструкция бомбы должна выиграть гонку за плотное, мгновенное критическое ядро до того, как менее мощная цепная реакция разберет ядро, не дав значительному количеству топлива распасться (известное как шипение ) . Это, как правило, означает, что ядерные бомбы требуют особого внимания к способу сборки ядра, например, методу имплозии, изобретенному Ричардом К. Толменом , Робертом Сербером и другими учеными Калифорнийского университета в Беркли в 1942 году.
