Доллар — это единица реактивности ядерного реактора , откалиброванная по интервалу между состояниями критичности и мгновенной критичности . Мгновенная критичность приведет к чрезвычайно быстрому росту мощности с последующим разрушением реактора, если только он специально не спроектирован так, чтобы выдерживать это состояние. Цент — это 1 ⁄ 100 доллара.
Каждое ядерное деление производит несколько нейтронов, которые могут быть поглощены, вырваться из реактора или продолжить вызывать больше делений в цепной реакции. Когда в среднем один нейтрон от каждого деления продолжает вызывать другое деление, реактор едва достигает «критического» уровня, и цепная реакция протекает на постоянном уровне мощности.
Большинство нейтронов, образующихся при делении, являются «мгновенными», т. е. создаются с продуктами деления менее чем за 10 наносекунд (« встряска » времени), но некоторые продукты деления производят дополнительные нейтроны, когда они распадаются в течение нескольких минут после их создания делением. Эти нейтроны с задержкой высвобождения , несколько процентов от общего числа, являются ключом к стабильному управлению ядерным реактором . Без запаздывающих нейтронов, в реакторе, который был едва выше критического, мощность реактора увеличивалась бы экспоненциально в миллисекундных или даже микросекундных временных масштабах — слишком быстро, чтобы управляться с помощью современных или будущих технологий. Такое быстрое увеличение мощности может также происходить в реальном реакторе, когда цепная реакция поддерживается без помощи запаздывающих нейтронов. Это мгновенная критичность , наиболее экстремальным примером которой является взрывающееся ядерное оружие, где значительные усилия по проектированию направлены на то, чтобы удерживать ядро глубоко в мгновенной критичности как можно дольше, пока не разделится максимально достижимый процент материала. [1]
По определению, реактивность в ноль долларов едва находится на грани критичности, используя как мгновенные, так и запаздывающие нейтроны. Реактивность менее нуля долларов является субкритической; уровень мощности будет уменьшаться экспоненциально, и устойчивая цепная реакция не произойдет. Один доллар определяется как порог между запаздывающей и мгновенной критичностью. При мгновенной критичности в среднем каждое деление вызовет ровно одно дополнительное деление через мгновенные нейтроны, а запаздывающие нейтроны затем увеличат мощность. Любая реактивность выше $0 является сверхкритической, и мощность будет увеличиваться экспоненциально, но между $0 и $1 рост мощности будет достаточно медленным, чтобы его можно было легко и безопасно контролировать с помощью механических стержней управления, поскольку цепная реакция частично зависит от запаздывающих нейтронов. Энергетический реактор, работающий в устойчивом состоянии (постоянная мощность), будет, следовательно, иметь среднюю реактивность $0 с небольшими колебаниями выше и ниже этого значения. [2]
Реактивность также может быть выражена в относительных терминах, например, «на 5 центов выше критической отметки». [3]
В то время как энергетические реакторы тщательно проектируются и эксплуатируются, чтобы избежать мгновенной критичности при любых обстоятельствах, многие небольшие исследовательские или реакторы «нулевой мощности» спроектированы так, чтобы их преднамеренно помещали в мгновенную критичность (реактивность > $1) с полной безопасностью путем быстрого извлечения их регулирующих стержней. Их топливные элементы спроектированы таким образом, что по мере их нагрева реактивность автоматически и быстро снижается за счет таких эффектов, как доплеровское уширение и тепловое расширение . Такие реакторы могут «импульсно» достигать очень высоких уровней мощности (например, несколько ГВт) в течение нескольких миллисекунд, после чего реактивность автоматически падает до $0, а относительно низкий и постоянный уровень мощности (например, несколько сотен кВт) поддерживается до тех пор, пока не будет выключен вручную путем повторной установки регулирующих стержней. [4]
Подкритические реакторы , которые до сих пор были построены только в лабораторных масштабах, будут постоянно работать с «отрицательными долларами» (скорее всего, на несколько центов ниже [задержанной] критической) с «недостающими» нейтронами, предоставляемыми внешним источником нейтронов , например, расщеплением , вызываемым ускорителем частиц в подкритическом реакторе, управляемом ускорителем .
По мнению Элвина Вайнберга и Юджина Вигнера , Луи Слотин был первым, кто предложил название «доллар» для интервала реактивности между едва критической и мгновенной критичностью , и «центы» для десятичной части доллара. [5]