核反应堆中长期理论中子聚集效应首次获得证明

洛斯·阿拉莫斯先进核技术集团(Los Alamos Advanced Nuclear Technology Group)的工程师Nicholas Thompson指出：“中子聚集现象已经理论化多年，但从未在工作中的反应堆中进行过分析。研究结果表明，随着中子裂变并产生更多的中子，一些会继续形成大的星系团，而另一些则会迅速消亡从而导致所谓的‘能量倾斜’或不对称的能量产生。”

据悉，了解这些聚类波动对安全性和模拟的准确性尤其重要，特别是在核反应堆开始启动的时候。这项研究是跟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。

Thompson表示：“我们能模拟核反应堆中每个中子的寿命，基本上就是为每个中子建立一个家谱。我们看到的是，即使反应堆是非常关键的从一代到下一代的裂变数量是偶数的也可能会形成簇群，其他簇也会很快消失。”

理解这种聚集现象变得非常重要，因为有一个被称为赌徒破产的统计概念，据信是由Blaise Pascal推导出来的。在一个赌博的类比中，这个概念指出，即使赌徒在每个单独的赌注中赢或输的几率是50%，但在足够的赌注过程中，统计上赌徒破产的可能性是100%。

在核反应堆中，一代又一代，每个中子死亡或裂变产生更多中子的几率也都差不多是50%。根据赌徒破产概念，从统计上看，反应堆中的中子可能有机会在未来的某一代完全消失，即使系统处于临界状态。

这一概念在生物学和流行病学等其他科学领域也得到了广泛研究，这些领域也存在换代聚集现象。研究小组通过利用相关的统计数学得以分析出赌徒破产概念是否适用于核反应堆中的中子。

“你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Jesson Hutchinson说道，“你应该有一个临界系统，虽然中子的数量在几代人之间是不同的，但它有可能变成亚临界并失去所有的中子。但事实并非如此。”

为了理解为什么赌徒破产概念不成立，研究人员使用了位于纽约Walthousen反应堆关键设施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相互作用。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Neutron Multiplicity 3He Array Detector(NoMAD)，其用来追踪反应堆内部的每一次相互作用。

研究小组发现，虽然几代中子会聚集在大型的族谱中，而其他的则会消失，但在小型反应堆中，由于自发裂变或反应堆内放射性物质的非诱导核分裂，避免了完全死亡，这将产生更多的中子。这种裂变和自发裂变的平衡防止了中子种群完全消失，而且它也倾向于缓和中子聚集产生的能量爆发。

Hutchinson说道：“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，因为它们有其他的干预措施如温度和控制棒设置。但这项测试的兴趣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产生影响，甚至可能影响未来的设计和安全程序。”