Согласно новому исследованию, недавно опубликованному в журнале Nature Communications Physics, впервые был продемонстрирован давно теоретизированный эффект кластеризации нейтронов в ядерных реакторах, который может повысить безопасность реактора и создать более точное моделирование.

«Явление кластеризации нейтронов теоретизировалось годами, но никогда не анализировалось в работающем реакторе», — сказал Николас Томпсон, инженер Лос-Аламосской группы передовых ядерных технологий. «Результаты показывают, что по мере деления нейтронов и создания большего количества нейтронов некоторые продолжают формировать большие ветви кластеров, в то время как другие быстро отмирают, что приводит к так называемым «наклонам мощности» или асимметричному производству энергии».

Понимание этих кластерных флуктуаций особенно важно для безопасности и точности моделирования, особенно когда ядерные реакторы впервые начинают включаться. Исследование было проведено в сотрудничестве с Институтом радиологической защиты и ядерной безопасности (IRSN) и Комиссией по атомной энергии (CEA), которые расположены во Франции.

«Мы смогли смоделировать жизнь каждого нейтрона в ядерном реакторе, построив для каждого генеалогическое древо», — сказал Томпсон. «Мы увидели, что даже если реактор находится в абсолютно критическом состоянии, поэтому количество делений от одного поколения к другому одинаково, могут быть всплески кластеров, которые образуются, а другие быстро отмирают».

Этот феномен кластеризации стал важным для понимания благодаря статистической концепции, известной как разорение игрока, которую, как полагают, придумал Блез Паскаль. При проведении аналогии со ставками концепция гласит, что даже если шансы игрока на выигрыш или проигрыш каждой отдельной ставки составляют 50 процентов, статистическая уверенность в том, что игрок обанкротится, составляет 100 процентов при достаточном количестве ставок.

Можно сказать, что в ядерных реакторах от поколения к поколению каждый нейтрон имеет примерно 50-процентную вероятность смерти или деления с образованием большего количества нейтронов. Согласно концепции разорения игрока, нейтроны в реакторе могут иметь статистический шанс полного вымирания в каком-то будущем поколении, даже если система находится в критическом состоянии.

Эта концепция широко изучалась в других научных областях, таких как биология и эпидемиология, где также присутствует этот феномен кластеризации поколений. Используя эту связанную статистическую математику, исследовательская группа смогла проанализировать, будет ли верна концепция разорения игрока для нейтронов в ядерных реакторах.

«Можно ожидать, что эта теория верна», — говорит Джессон Хатчинсон, который работает с Лабораторией Advanced Nuclear Technology Group. «У вас должна быть критическая система, которая, хотя количество нейтронов меняется от поколения к поколению, имеет некоторые шансы стать подкритической и потерять все нейтроны. Но это не то, что происходит».

Чтобы понять, почему концепция разорения игрока не верна, исследователи использовали маломощный ядерный реактор, расположенный на критическом объекте Walthousen Reactor в Нью-Йорке. Маломощный реактор был необходим для отслеживания продолжительности жизни отдельных нейтронов, потому что в крупномасштабных реакторах могут быть триллионы взаимодействий в любой момент. Команда использовала три разных нейтронных детектора, включая разработанный в Лос-Аламосе детектор Neutron Multiplicity 3He Array (NoMAD), чтобы отслеживать каждое взаимодействие внутри реактора.

Команда обнаружила, что, хотя поколения нейтронов будут группироваться в большие родословные, а другие вымирают, полного вымирания в маленьком реакторе удалось избежать из-за спонтанного деления или неиндуцированного ядерного расщепления радиоактивного материала внутри реакторов, что создает больше нейтронов. Этот баланс деления и спонтанного деления предотвращал полное вымирание нейтронной популяции, а также имел тенденцию сглаживать энергетические всплески, создаваемые кластеризацией нейтронов.

«Ядерные реакторы промышленного размера не зависят только от нейтронной популяции для достижения критичности, потому что они требуют других вмешательств, таких как регулировка температуры и регулирующих стержней», — сказал Хатчинсон. «Но этот тест был заинтересован в том, чтобы ответить на фундаментальные вопросы о поведении нейтронов в реакторах, и результаты окажут влияние на математику, которую мы используем для моделирования реакторов, и даже могут повлиять на будущие процедуры проектирования и безопасности».