Экономия нейтронов определяется как отношение избыточного производства нейтронов к скорости деления . [1] [2] Числа представляют собой средневзвешенное значение, основанное главным образом на энергиях нейтронов.
Деление ядра — это процесс, при котором ядра атомов расщепляются на части. Среди различных частиц , высвобождаемых в этом процессе, есть нейтроны высоких энергий , энергии которых распределены по спектру нейтронов . Эти нейтроны могут вызвать деление других ядер, что приводит к возможности цепной реакции . Однако нейтроны могут вызвать новое деление только при определенных условиях, в зависимости от их энергии; высокоэнергетические, или «релятивистские», нейтроны часто пролетают сквозь другое ядро, не вызывая деления. Вероятность того, что нейтрон будет захвачен, значительно возрастает, когда его энергия равна энергии ядра-мишени, известного как «тепловой нейтрон». Для поддержания цепной реакции в ядерном реакторе используется замедлитель нейтронов , замедляющий нейтроны. Этот замедлитель часто используется в качестве теплоносителя, который также используется для извлечения энергии, и наиболее распространенным замедлителем является вода. Нейтроны также замедляются из-за упругих и неупругих столкновений с топливом и другими материалами в реакторе.
Реактор деления основан на идее поддержания критичности , при которой каждое событие деления приводит к другому событию деления, не больше и не меньше. Поскольку при делении урана высвобождаются два или три нейтрона, это означает, что некоторые нейтроны должны быть удалены как часть общего процесса. Некоторые из них будут потеряны исключительно из-за геометрии; например, те, которые высвободятся наружу от внешнего края топливной массы, не смогут вызвать деление. Другие будут поглощены посредством различных процессов в массе, а третьи будут намеренно поглощены стержнями управления или подобными устройствами для поддержания правильного общего баланса. [3] Процесс замедления нейтронов почти всегда приводит к поглощению некоторых из них.
Экономия нейтронов — это мера количества высвобождаемых нейтронов, которые могут вызвать деление, по сравнению с количеством, необходимым для поддержания цепной реакции. Это не просто учет общего числа нейтронов, поскольку он включает в себя и взвешивание по энергии. Таким образом, оставшиеся нейтроны высоких энергий не являются основной частью «общей экономики», поскольку они не поддерживают цепную реакцию. Величина, показывающая, насколько разбалансирована нейтронная экономика, называется реактивностью . Если реактор в точности критичен — то есть производство нейтронов точно равно разрушению нейтронов — реактивность равна нулю. Если реактивность положительна, реактор является сверхкритическим . Если реактивность отрицательна, реактор является подкритическим .
Термин «нейтронная экономика» используется не только для мгновенной реактивности реактора, но и для описания общей эффективности конструкции ядерного реактора . Обычные конструкции реакторов, использующие обычную воду в качестве теплоносителя и замедлителя, обычно имеют низкую относительную экономию нейтронов, поскольку вода поглощает часть тепловых нейтронов, уменьшая их количество, доступное для поддержания реакции. Напротив, тяжелая вода уже имеет дополнительный нейтрон, и та же самая реакция обычно приводит к его высвобождению, а это означает, что реактор с замедлителем тяжелой воды не поглощает нейтроны и, следовательно, имеет лучшую нейтронную экономику. [4] [5] Реакторы с высокой экономией нейтронов имеют больше «остаточных нейтронов», которые можно использовать для других целей, например, для производства дополнительного топлива или проведения докритического деления ядерных отходов для «сжигания» некоторых из наиболее радиоактивных компонентов.