Нейтронная экономия определяется как отношение избыточного производства нейтронов к скорости деления . [1] [2] Числа представляют собой средневзвешенное значение, основанное в первую очередь на энергиях нейтронов.
Ядерное деление — это процесс, в котором ядра атомов расщепляются. Среди различных частиц, высвобождаемых в этом процессе, есть нейтроны высокой энергии с энергиями, распределенными по всему спектру нейтронов . Эти нейтроны могут вызвать деление других ядер, что приводит к возможности цепной реакции . Однако нейтроны могут вызвать другое деление только при определенных условиях, основанных на их энергии; нейтроны высокой энергии, или «релятивистские», часто пролетают прямо сквозь другое ядро, не вызывая деления. Вероятность того, что нейтрон будет захвачен, значительно возрастает, когда его энергия примерно равна энергии ядра-мишени, которое известно как «тепловой нейтрон». Для поддержания цепной реакции в ядерном реакторе используется замедлитель нейтронов для замедления нейтронов. Этот замедлитель часто используется в качестве охладителя, 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 , где каждое событие деления приводит к другому событию деления, не больше и не меньше. Поскольку деление урана высвобождает два или три нейтрона, это означает, что некоторые из нейтронов должны быть удалены как часть общего процесса. Некоторые будут потеряны исключительно из-за геометрии, те, которые высвобождаются, путешествуя наружу от внешнего края топливной массы, не будут иметь шанса вызвать деление, например. Другие будут поглощены посредством различных процессов в массе, а третьи будут намеренно поглощены стержнями управления или аналогичными устройствами для поддержания правильного общего баланса. [3] Процесс замедления нейтронов почти всегда приводит к тому, что некоторые из них также поглощаются.
Нейтронная экономия — это мера количества нейтронов, которые могут вызвать деление, по сравнению с количеством, необходимым для поддержания цепной реакции. Это не просто учет общего количества нейтронов, так как он также включает вес, основанный на энергии. Таким образом, оставшиеся высокоэнергетические нейтроны не являются основной частью «общей экономии», поскольку они не поддерживают цепную реакцию. Величина, которая указывает, насколько нейтронная экономика вышла из равновесия, называется реактивностью . Если реактор точно критический — то есть производство нейтронов точно равно разрушению нейтронов — реактивность равна нулю. Если реактивность положительная, реактор сверхкритический . Если реактивность отрицательная, реактор подкритический .
Термин «нейтронная экономия» используется не только для мгновенной реактивности реактора, но и для описания общей эффективности конструкции ядерного реактора . Обычные конструкции реакторов, использующие обычную воду в качестве охладителя и замедлителя, как правило, имеют плохую относительную нейтронную экономию, поскольку вода поглощает часть тепловых нейтронов, уменьшая количество, доступное для поддержания реакции. Напротив, тяжелая вода уже имеет дополнительный нейтрон, и та же реакция обычно вызывает его высвобождение, что означает, что реактор, замедлитель которого использует тяжелую воду, не поглощает нейтроны и, таким образом, имеет лучшую нейтронную экономию. [4] [5] Реакторы с высокой нейтронной экономией имеют больше «остаточных нейтронов», которые можно использовать для других целей, например, для воспроизводства дополнительного топлива или для подкритического деления ядерных отходов , чтобы «сжечь» некоторые из более радиоактивных компонентов.