В ядерной технике мгновенная критичность описывает событие ядерного деления , в котором критичность (порог для экспоненциально растущей цепной реакции ядерного деления) достигается только за счет мгновенных нейтронов и не зависит от запаздывающих нейтронов . В результате мгновенная сверхкритичность вызывает гораздо более быстрый рост скорости энерговыделения, чем другие формы критичности. Ядерное оружие основано на мгновенной критичности, тогда 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 представляет собой самоподдерживающуюся цепную реакцию деления . Когда атом урана -235 (U-235) подвергается ядерному делению , он обычно выделяет от одного до семи нейтронов (в среднем 2,4). В этой ситуации сборка имеет решающее значение, если каждый высвободившийся нейтрон имеет вероятность 1 / 2,4 = 0,42 = 42 % вызвать другое событие деления, а не либо быть поглощенным событием захвата без деления , либо покинуть делящуюся активную зону.
Среднее число нейтронов, вызывающих новые события деления, называется эффективным коэффициентом размножения нейтронов и обычно обозначается символами k-efficiency , k-eff или k . Когда k-eff = 1, сборка называется критической, если k-eff меньше 1, сборка называется подкритической, а если k-eff больше 1, сборка называется сверхкритической.
В сверхкритической сборке количество делений в единицу времени N вместе с выработкой энергии увеличивается со временем экспоненциально . Насколько быстро он растет, зависит от среднего времени, которое потребуется T , чтобы нейтроны, высвободившиеся в результате деления, вызвали новое деление. Скорость роста реакции определяется выражением:
Большинство нейтронов, высвобождаемых в результате деления, высвобождаются при самом делении. Они называются мгновенными нейтронами и поражают другие ядра и вызывают дополнительные деления в течение наносекунд (средний интервал времени, использованный учеными в Манхэттенском проекте , составлял одно встряску , или 10 нс). Небольшим дополнительным источником нейтронов являются продукты деления . Некоторые из ядер, образующихся в результате деления, представляют собой радиоактивные изотопы с коротким периодом полураспада , и ядерные реакции между ними высвобождают дополнительные нейтроны после длительной задержки (до нескольких минут) после начального события деления. Эти нейтроны, которые в среднем составляют менее одного процента от общего числа нейтронов, высвобождаемых при делении, называются запаздывающими нейтронами. Относительно медленные временные рамки появления запаздывающих нейтронов являются важным аспектом проектирования ядерных реакторов, поскольку позволяют контролировать уровень мощности реактора посредством постепенного механического перемещения управляющих стержней. Обычно стержни управления содержат нейтронные поглотители (вещества, например бор или гафний , которые легко захватывают нейтроны, не производя дополнительных) как средство изменения k-эффективного . За исключением экспериментальных импульсных реакторов, ядерные реакторы предназначены для работы в режиме замедленного критического состояния и оснащены системами безопасности, предотвращающими достижение ими мгновенного критического состояния.
В критической с задержкой сборке запаздывающие нейтроны необходимы для того, чтобы сделать k-эффективным больше единицы. Таким образом, время между последовательными поколениями реакции, T , определяется временем, необходимым для высвобождения запаздывающих нейтронов, порядка секунд или минут. Поэтому реакция будет нарастать медленно, с большой постоянной времени. Это достаточно медленно, чтобы можно было управлять реакцией с помощью электромеханических систем управления , таких как регулирующие стержни , и, соответственно, все ядерные реакторы спроектированы для работы в режиме замедленной критичности.
Напротив, критическая сборка называется мгновенно-критической, если она является критической ( k = 1 ) без какого-либо вклада запаздывающих нейтронов , и мгновенно-сверхкритической, если она является сверхкритической (скорость деления растет экспоненциально, k > 1 ) без какого-либо вклада. из запаздывающих нейтронов. В этом случае время между последовательными поколениями реакции Т ограничено только скоростью деления мгновенными нейтронами, а рост реакции будет чрезвычайно быстрым, что приведет к быстрому выделению энергии в течение нескольких миллисекунд. Оперативно-критические сборки создаются путем проектирования в ядерном оружии и некоторых специально разработанных исследовательских экспериментах.
Разница между быстрым нейтроном и запаздывающим нейтроном связана с источником, из которого нейтрон попал в реактор. Нейтроны, однажды выпущенные, не имеют никакой разницы, кроме энергии или скорости, которые им были переданы. Ядерное оружие во многом зависит от мгновенной сверхкритичности (чтобы обеспечить высокую пиковую мощность за доли секунды), тогда как ядерные энергетические реакторы используют задержку критичности для производства контролируемых уровней мощности в течение месяцев или лет.
Чтобы запустить управляемую реакцию деления, сборка должна быть критической с задержкой. Другими словами, k должно быть больше 1 (сверхкритическое) без пересечения порога мгновенного критического значения. В ядерных реакторах это возможно за счет запаздывающих нейтронов. Поскольку до испускания этих нейтронов в результате деления требуется некоторое время, ядерной реакцией можно управлять с помощью управляющих стержней.
Реактор стационарного режима (постоянной мощности) работает так, что он является критическим из-за запаздывающих нейтронов, но не был бы таковым без их вклада. При постепенном и целенаправленном повышении уровня мощности реактора реактор находится в состоянии замедленно-сверхкритического состояния. Экспоненциальный рост активности реактора происходит достаточно медленно, чтобы можно было контролировать коэффициент критичности k путем вставки или извлечения стержней из материала, поглощающего нейтроны. Таким образом, используя осторожные движения стержней управления, можно достичь сверхкритического состояния активной зоны реактора, не достигая небезопасного мгновенного критического состояния.
Как только реакторная установка работает на целевом или проектном уровне мощности, ее можно эксплуатировать для поддержания критического состояния в течение длительных периодов времени.
Ядерные реакторы могут быть подвержены авариям с быстрым возникновением критичности, если происходит значительное увеличение реактивности (или k-эффективной ), например, в результате отказа их систем управления и безопасности. Быстрое неконтролируемое увеличение мощности реактора в критических условиях может привести к непоправимому повреждению реактора, а в крайних случаях может привести к нарушению защитной оболочки реактора. Системы безопасности ядерных реакторов предназначены для предотвращения быстрого возникновения критичности, а для глубокоэшелонированной защиты конструкции реакторов также обеспечивают несколько уровней защитной оболочки в качестве меры предосторожности против любых случайных выбросов радиоактивных продуктов деления .
За исключением исследовательских и экспериментальных реакторов, считается, что лишь небольшое количество аварий реакторов достигло мгновенной критичности, например, Чернобыль № 4 , SL-1 армии США и советская подводная лодка К-431 . Во всех этих примерах неконтролируемого скачка мощности было достаточно, чтобы вызвать взрыв, который разрушил каждый реактор и выбросил радиоактивные продукты деления в атмосферу.
В Чернобыле в 1986 году плохо изученный положительный эффект аварийного останова привел к перегреву активной зоны реактора. Это привело к разрыву твэлов и водопроводных трубок, испарению воды, паровому взрыву и расплавлению. Предполагаемые уровни мощности до инцидента позволяют предположить, что она работала более 30 ГВт, что в десять раз превышает максимальную тепловую мощность в 3 ГВт. Крышка реакторной камеры весом 2000 тонн была поднята паровым взрывом. Поскольку реактор не был спроектирован с защитной оболочкой , способной сдержать этот катастрофический взрыв, в результате аварии в окружающую среду попало большое количество радиоактивного материала.
В двух других инцидентах реакторные установки вышли из строя из-за ошибок во время профилактического останова, вызванных быстрым и неконтролируемым удалением хотя бы одного стержня управления. SL -1 представлял собой прототип реактора, предназначенный для использования армией США в отдаленных полярных районах. На АЭС СЛ-1 в 1961 году реактор был переведен из остановленного режима в критическое состояние из-за слишком далекого ручного извлечения центрального стержня управления. Когда вода в активной зоне быстро превратилась в пар и расширилась (всего за несколько миллисекунд), корпус реактора массой 26 000 фунтов (12 000 кг) подпрыгнул на 9 футов 1 дюйм (2,77 м), оставив отпечатки на потолке наверху. [1] [2] Все трое мужчин, выполнявших процедуру технического обслуживания, скончались от травм. При выбросе частей активной зоны было выпущено 1100 кюри продуктов деления. На расследование аварии и очистку территории ушло 2 года. Избыточная мгновенная реактивность активной зоны SL-1 была рассчитана в отчете 1962 года: [3]
Доля запаздывающих нейтронов SL-1 составляет 0,70%... Убедительные доказательства показали, что отклонение SL-1 было вызвано частичным выводом центрального стержня управления. Реактивность, связанная с выносом этого стержня на 20 дюймов, оценивается в 2,4% δk/k, что было достаточно, чтобы вызвать быстрый критичный режим и перевести реактор на период 4 миллисекунды.
В результате аварии на реакторе К-431 во время операции по дозаправке погибли 10 человек. Взрыв К-431 разрушил прилегающие машинные отделения и разрушил корпус подводной лодки. В этих двух катастрофах реакторные установки перешли от полной остановки к чрезвычайно высоким уровням мощности за долю секунды, что привело к повреждению реакторных установок без возможности восстановления.
В ряде исследовательских реакторов и испытаний намеренно проверялась работа реакторной установки быстрого реагирования. Эксперименты CRAC , KEWB, SPERT-I , Godiva и BORAX внесли свой вклад в это исследование. Однако произошло немало аварий, прежде всего при исследовании и переработке ядерного топлива. SL-1 является заметным исключением.
Следующий список резких отклонений критической мощности адаптирован из отчета, представленного в 2000 году группой американских и российских ученых-ядерщиков, изучавших аварии, связанные с критичностью , опубликованного Лос-Аламосской научной лабораторией, где происходят многие из отклонений. [4] Типичный скачок мощности составляет около 1 x 10 17 делений.
Напротив, при проектировании ядерного оружия крайне важно добиться быстрого достижения критичности. Действительно, одна из проблем проектирования, которую необходимо решить при создании бомбы, состоит в том, чтобы сжать делящиеся материалы настолько, чтобы достичь мгновенной критичности, прежде чем цепная реакция сможет произвести достаточно энергии, чтобы вызвать слишком сильное расширение активной зоны. Поэтому хорошая конструкция бомбы должна выиграть гонку за плотным и быстрым критическим ядром, прежде чем менее мощная цепная реакция разрушит ядро, не позволяя значительному количеству топлива расщепиться (известное как шипение ) . Обычно это означает, что ядерные бомбы требуют особого внимания к способу сборки ядра, например методу имплозии , изобретенному Ричардом К. Толманом , Робертом Сербером и другими учеными из Калифорнийского университета в Беркли в 1942 году.
