據(jù)外媒報(bào)道，根據(jù)最近發(fā)表在《Nature Communications Physics》上的一項(xiàng)新研究，核反應(yīng)堆中長期理論的中子聚集效應(yīng)首次被證明，這可以提高反應(yīng)堆的安全性并創(chuàng)建出更精確的模擬。
洛斯·阿拉莫斯先進(jìn)核技術(shù)集團(tuán)(Los Alamos Advanced Nuclear Technology Group)的工程師Nicholas Thompson指出：“中子聚集現(xiàn)象已經(jīng)理論化多年，但從未在工作中的反應(yīng)堆中進(jìn)行過分析。研究結(jié)果表明，隨著中子裂變并產(chǎn)生更多的中子，一些會(huì)繼續(xù)形成大的星系團(tuán)，而另一些則會(huì)迅速消亡從而導(dǎo)致所謂的‘能量傾斜’或不對(duì)稱的能量產(chǎn)生。”
據(jù)悉，了解這些聚類波動(dòng)對(duì)安全性和模擬的準(zhǔn)確性尤其重要，特別是在核反應(yīng)堆開始啟動(dòng)的時(shí)候。這項(xiàng)研究是跟位于法國的輻射防護(hù)和核安全研究所(IRSN)和原子能委員會(huì)(CEA)合作進(jìn)行的。
Thompson表示：“我們能模擬核反應(yīng)堆中每個(gè)中子的壽命，基本上就是為每個(gè)中子建立一個(gè)家譜。我們看到的是，即使反應(yīng)堆是非常關(guān)鍵的從一代到下一代的裂變數(shù)量是偶數(shù)的也可能會(huì)形成簇群，其他簇也會(huì)很快消失。”
理解這種聚集現(xiàn)象變得非常重要，因?yàn)橛幸粋€(gè)被稱為破產(chǎn)的統(tǒng)計(jì)概念，據(jù)信是由Blaise Pascal推導(dǎo)出來的。
在核反應(yīng)堆中，一代又一代，每個(gè)中子死亡或裂變產(chǎn)生更多中子的幾率也都差不多是50%。根據(jù)賭徒破產(chǎn)概念，從統(tǒng)計(jì)上看，反應(yīng)堆中的中子可能有機(jī)會(huì)在未來的某一代完全消失，即使系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)。
這一概念在生物學(xué)和流行病學(xué)等其他科學(xué)領(lǐng)域也得到了廣泛研究，這些領(lǐng)域也存在換代聚集現(xiàn)象。研究小組通過利用相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)得以分析出賭徒破產(chǎn)概念是否適用于核反應(yīng)堆中的中子。
“你會(huì)認(rèn)為這個(gè)理論是正確的，”在該實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)核技術(shù)小組工作的Jesson Hutchinson說道，“你應(yīng)該有一個(gè)臨界系統(tǒng)，雖然中子的數(shù)量在幾代人之間是不同的，但它有可能變成亞臨界并失去所有的中子。但事實(shí)并非如此。”
為了理解為什么賭徒破產(chǎn)概念不成立，研究人員使用了位于紐約Walthousen反應(yīng)堆關(guān)鍵設(shè)施的一個(gè)低功率核反應(yīng)堆。低功率反應(yīng)堆對(duì)于追蹤單個(gè)中子的壽命至關(guān)重要，因?yàn)榇笮头磻?yīng)堆在任何時(shí)候都可能有數(shù)萬億次的相互作用。該團(tuán)隊(duì)使用了三種不同的中子探測(cè)器，包括洛斯阿拉莫斯開發(fā)的Neutron Multiplicity 3He Array Detector(NoMAD)，其用來追蹤反應(yīng)堆內(nèi)部的每一次相互作用。
研究小組發(fā)現(xiàn)，雖然幾代中子會(huì)聚集在大型的族譜中，而其他的則會(huì)消失，但在小型反應(yīng)堆中，由于自發(fā)裂變或反應(yīng)堆內(nèi)放射性物質(zhì)的非誘導(dǎo)核分裂，避免了完全死亡，這將產(chǎn)生更多的中子。這種裂變和自發(fā)裂變的平衡防止了中子種群完全消失，而且它也傾向于緩和中子聚集產(chǎn)生的能量爆發(fā)。
Hutchinson說道：“商業(yè)規(guī)模的核反應(yīng)堆并不僅僅依靠中子數(shù)量來達(dá)到臨界狀態(tài)，因?yàn)樗鼈冇衅渌母深A(yù)措施如溫度和控制棒設(shè)置。但這項(xiàng)測(cè)試的興趣在于回答有關(guān)反應(yīng)堆中中子行為的基本問題，其結(jié)果將對(duì)我們用來模擬反應(yīng)堆的數(shù)學(xué)產(chǎn)生影響，甚至可能影響未來的設(shè)計(jì)和安全程序。”
