Voor de eerste keer, het lang getheoretiseerde neutronenclusteringseffect in kernreactoren is aangetoond, die de veiligheid van de reactor zou kunnen verbeteren en nauwkeurigere simulaties zou kunnen maken, volgens een nieuwe studie die onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur Communicatie Natuurkunde .

"Het fenomeen van neutronenclustering was jarenlang getheoretiseerd, maar het was nog nooit geanalyseerd in een werkende reactor, " zei Nicholas Thompson, een ingenieur bij de Los Alamos Advanced Nuclear Technology Group. "De bevindingen geven aan dat, terwijl neutronen splijten en meer neutronen creëren, sommigen gaan door met het vormen van grote lijnen van clusters, terwijl anderen snel afsterven, resulterend in zogenaamde 'power tilts', ' of asymmetrische energieproductie."

Het begrijpen van deze clusterfluctuaties is vooral belangrijk voor de veiligheid en de nauwkeurigheid van de simulatie, vooral omdat kernreactoren voor het eerst beginnen op te starten. De studie was een samenwerking met het Instituut voor Radiologische Bescherming en Nucleaire Veiligheid (IRSN) en de Atomic Energy Commission (CEA), beide gevestigd in Frankrijk.

"We waren in staat om de levensduur van elk neutron in de kernreactor te modelleren, eigenlijk voor elk een stamboom bouwen, " zei Thompson. "Wat we zagen is dat zelfs als de reactor volkomen kritiek is, dus het aantal splijtingen van de ene generatie op de volgende is even, er kunnen uitbarstingen van clusters zijn die zich vormen en andere die snel afsterven."

Dit clusterverschijnsel werd belangrijk om te begrijpen vanwege een statistisch concept dat bekend staat als de ondergang van de gokker, verondersteld te zijn afgeleid door Blaise Pascal. In een gokanalogie, het concept zegt dat zelfs als de kans dat een gokker wint of verliest elke individuele weddenschap 50 procent is, bij voldoende inzetten is de statistische zekerheid dat de gokker failliet gaat 100 procent.

Bij kernreactoren, van generatie tot generatie, Van elk neutron kan worden gezegd dat het een vergelijkbare kans van 50 procent heeft om te sterven of te splijten om meer neutronen te creëren. Volgens het ruïneconcept van de gokker, de neutronen in een reactor hebben dan een statistische kans om bij een toekomstige generatie volledig af te sterven, ook al is het systeem kritiek.

Dit concept was op grote schaal bestudeerd in andere wetenschappelijke gebieden, zoals biologie en epidemiologie, waar dit generatieclusterverschijnsel ook aanwezig is. Door gebruik te maken van deze gerelateerde statistische wiskunde, het onderzoeksteam kon analyseren of het ruïneconcept van de gokker zou gelden voor neutronen in kernreactoren.

"Je zou verwachten dat deze theorie waar zou zijn, " zegt Jesson Hutchinson, die samenwerkt met de Advanced Nuclear Technology Group van het laboratorium. "Je zou een kritisch systeem moeten hebben dat, terwijl de neutronenpopulatie van generatie op generatie varieert, loopt een kans om subkritisch te worden en alle neutronen te verliezen. Maar dat is niet wat er gebeurt."

Om te begrijpen waarom het ruïneconcept van de gokker niet klopte, onderzoekers gebruikten een kernreactor met laag vermogen in de Walthousen Reactor Critical Facility in New York. Een reactor met laag vermogen was essentieel voor het volgen van de levensduur van individuele neutronen, omdat grootschalige reactoren op elk moment biljoenen interacties kunnen hebben. Het team gebruikte drie verschillende neutronendetectoren, inclusief de door Los Alamos ontwikkelde Neutron Multiplicity 3He Array Detector (NoMAD), om elke interactie in de reactor te traceren.

Het team ontdekte dat terwijl generaties neutronen zich zouden clusteren in grote stambomen en andere uitstierven, een volledige afsterving in de kleine reactor werd vermeden door spontane splijting, of de niet-geïnduceerde nucleaire splitsing van radioactief materiaal in reactoren, waardoor er meer neutronen ontstaan. Die balans tussen splijting en spontane splijting voorkwam dat de neutronenpopulatie volledig uitstierf, en het had ook de neiging om de energie-uitbarstingen die door het clusteren van neutronen werden veroorzaakt, af te vlakken.

"Commerciële kernreactoren zijn niet alleen afhankelijk van de neutronenpopulatie om kritiek te bereiken, omdat ze andere ingrepen hebben, zoals temperatuur- en regelstaafinstellingen, " zei Hutchinson. "Maar deze test was geïnteresseerd in het beantwoorden van fundamentele vragen over het gedrag van neutronen in reactoren, en de resultaten zullen een impact hebben op de wiskunde die we gebruiken om reactoren te simuleren en kunnen zelfs toekomstige ontwerp- en veiligheidsprocedures beïnvloeden."