För första gången, den länge teoretiserade neutronklustringseffekten i kärnreaktorer har visats, vilket kan förbättra reaktorsäkerheten och skapa mer exakta simuleringar, enligt en ny studie som nyligen publicerats i tidskriften Naturkommunikationsfysik .

"Neutronklusterfenomenet hade teoretiserats i åratal, men det hade aldrig analyserats i en fungerande reaktor, sa Nicholas Thompson, ingenjör med Los Alamos Advanced Nuclear Technology Group. "Fynden indikerar att när neutroner klyvs och skapar fler neutroner, vissa fortsätter att bilda stora grupper av kluster medan andra snabbt dör bort, vilket resulterar i så kallade 'power tilt', ' eller asymmetrisk energiproduktion."

Att förstå dessa klusterfluktuationer är särskilt viktigt för säkerhet och simuleringsnoggrannhet, särskilt när kärnreaktorerna först startar. Studien var ett samarbete med Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety (IRSN) och Atomic Energy Commission (CEA), båda belägna i Frankrike.

"Vi kunde modellera livet för varje neutron i kärnreaktorn, bygger i princip ett släktträd för varje, "sa Thompson." Det vi såg är att även om reaktorn är helt kritisk, så antalet fissioner från en generation till nästa är jämnt, det kan finnas skurar av kluster som bildas och andra som snabbt dör ut."

Detta klusterfenomen blev viktigt att förstå på grund av ett statistiskt koncept som kallas spelarens ruin, tros ha härletts av Blaise Pascal. I en vadslagningsanalogi, konceptet säger att även om chansen att en spelare vinner eller förlorar varje enskild insats är 50 procent, under tillräckligt många insatser är den statistiska säkerheten att spelaren kommer att gå i konkurs 100 procent.

I kärnreaktorer, från generation till generation, varje neutron kan sägas ha en liknande 50 procents chans att dö eller klyva för att skapa fler neutroner. Enligt spelares ruinkoncept, neutronerna i en reaktor kan då ha en statistisk chans att helt dö av vid någon framtida generation, även om systemet är kritiskt.

Detta koncept hade studerats flitigt inom andra vetenskapliga områden, såsom biologi och epidemiologi, där detta generationsklusterfenomen också finns. Genom att använda denna relaterade statistiska matematik, forskargruppen kunde analysera om spelarens ruinkoncept skulle gälla för neutroner i kärnreaktorer.

"Du skulle förvänta dig att denna teori stämmer, " säger Jesson Hutchinson, som arbetar med laboratoriets Advanced Nuclear Technology Group. "Du bör ha ett kritiskt system som, medan neutronpopulationen varierar mellan generationer, har en viss chans att bli subkritisk och tappa alla neutroner. Men det är inte vad som händer. "

För att förstå varför spelarens ruinkoncept inte stämde, forskare använde en kärnreaktor med låg effekt som ligger vid Walthousen Reactor Critical Facility i New York. En lågeffektreaktor var avgörande för att spåra livslängden för enskilda neutroner eftersom storskaliga reaktorer kan ha biljoner interaktioner när som helst. Teamet använde tre olika neutrondetektorer, inklusive Los Alamos-utvecklade Neutron Multiplicity 3He Array Detector (NoMAD), att spåra varje interaktion inuti reaktorn.

Teamet fann att medan generationer av neutroner skulle samlas i stora släktträd och andra dog ut, en fullständig avstängning undviks i den lilla reaktorn på grund av spontan klyvning, eller icke-inducerad kärnklyvning av radioaktivt material inuti reaktorer, vilket skapar fler neutroner. Denna fissionbalans och spontana klyvning hindrade neutronpopulationen från att dö ut helt, och det tenderade också att jämna ut energisprängningarna som skapades genom att klustera neutroner.

"Kärnreaktorer av kommersiell storlek är inte enbart beroende av neutronpopulationen för att nå kritik, eftersom de har andra ingrepp som temperatur och styrstavsinställningar, "Hutchinson sa." Men detta test var intresserat att svara på grundläggande frågor om neutronbeteende i reaktorer, och resultaten kommer att ha en inverkan på den matematik vi använder för att simulera reaktorer och kan till och med påverka framtida design och säkerhetsprocedurer."