首次在核反应堆中验证了中子聚集效应

翻译：sadaharu
原文：https://phys.org/news/2021-07-neutron-clustering-effect-nuclear-reactors.html

根据最近发表在《Nature》杂志物理分刊上的一项新研究，核反应堆长周期理论的中子聚集效应首次被证实，该理论和研究成果可用于提高反应堆的安全性及创建更精确的反应堆数学模型。

洛斯阿拉莫斯先进核技术集团(Los Alamos Advanced Nuclear Technology Group)的工程师尼古拉斯·汤普森(Nicholas Thompson)说:“中子聚集现象的理论已建立多年，但从未在运行的反应堆中进行过分析验证。”“研究结果表明，随着中子裂变并产生更多的中子，一些会继续形成更大的能团，而另一些则会迅速消亡，导致所谓的'能量(中子)倾斜’，或能量(中子)不均匀分布。”

了解这些能团波动(中子不均匀分布)对安全性和计算模型的准确性尤其重要，特别是在核反应堆首次启动的时候。这项研究是与位于法国的辐射防护和核安全研究所(IRSN)和原子能委员会(CEA)合作进行的。

反应堆操作员 Nicholas Thompson 在进行中子聚集测量。图片来源：洛斯阿拉莫斯国家实验室

汤普森说:“我们模拟核反应堆中每个中子寿期内的状态，为每个中子建立代与代间的谱系图。可以看到的是，即使反应堆处于恰好临界的状态，上一代与下一代中子的裂变数量是平衡的，也可能会形成中子的不均匀分布，有些地方中子多，而其他地方中子则很快消亡。”

有一个被称为“赌徒破产”的统计概念(由Blaise Pascal首次提出)或许可以对这种集聚现象进行某个程度的解释。这个概念是说，即使赌徒在每个单独的赌局中赢或输的几率是50%，在进行足够多赌局时，存在100%的概率，在某一时刻赌徒必定破产。

在核反应堆中，中子一代又一代地产生，又一代又一代地产生地消亡，每个中子或消亡或继续进行裂变产生更多中子的几率都差不多是50%。根据赌徒破产理论，统计上，反应堆中的中子有可能在未来的某一代完全消亡，即使系统处于临界状态。

这一理论在生物学和流行病学等其他科学领域也得到了广泛研究，这些领域也存在代际集聚现象。通过利用相关的统计数学，研究小组能够分析赌徒破产理论是否适用于核反应堆中的中子。

“你可能会认为这个理论是正确的，”在该实验室的先进核技术小组工作的杰森·哈钦森(Jesson Hutchinson)说。“有可能存在这样一个临界的反应堆系统，虽然中子的数量在几代之间是不同的，但某一时刻它有可能变成次临界状态并失去所有的中子。但事实并非如此。”

为了理解为什么赌徒破产理论不成立，研究人员使用了位于纽约Walthousen Reactor Critical Facility的一个低功率核反应堆。低功率反应堆对于追踪单个中子的寿命至关重要，因为大型反应堆在任何时候都可能有数万亿次的中子反应，这不利于实验的开展。该团队使用了三种不同的中子探测器，包括洛斯阿拉莫斯开发的中子多样性3He阵列探测器(Neutron Multiplicity 3He Array Detector ，NoMAD)，来追踪反应堆内部的每一次中子反应。

研究小组发现，虽然短期内几代中子会产生集聚或消亡，但在小型反应堆中，由于反应堆内放射性物质的自发裂变或二次裂变反应将产生更多的中子，因此中子完全消亡的现象并不会产生。这种裂变和自发裂变的动态平衡防止了中子完全消亡，并能展平中子的不均匀分布现象。

Hutchinson说:“商业规模的核反应堆并不仅仅依靠中子数量来达到临界状态，因为它们有其他的反应性控制方式，比如温度和控制棒。但这项测试的意义在于回答有关反应堆中中子行为的基本问题，其结果将对我们用来模拟反应堆的数学模型产生影响，甚至可能影响未来的设计和安全运行程序。”