Безопасность ядерной критичности

Безопасность ядерной критичности — это область ядерной техники, посвященная предотвращению ядерных и радиационных аварий, возникающих в результате непреднамеренной самоподдерживающейся цепной ядерной реакции .

Безопасность ядерной критичности связана с смягчением последствий аварии, связанной с ядерной критичностью . Авария, связанная с ядерной критичностью, происходит в результате операций, в которых задействованы делящиеся материалы, и приводит к внезапному и потенциально смертельному выбросу радиации .

Специалисты по обеспечению безопасности ядерной критичности пытаются предотвратить аварии, связанные с ядерной критичностью, анализируя нормальные и вероятные аномальные условия при операциях с делящимися материалами и разрабатывая безопасные меры для переработки делящихся материалов. Обычной практикой является применение двойного анализа непредвиденных обстоятельств к операции, при которой два или более независимых, одновременных и маловероятных изменений в условиях процесса должны произойти, прежде чем может произойти авария, связанная с ядерной критичностью. Например, первое изменение условий может представлять собой полное или частичное затопление, а второе изменение — перестановку делящегося материала.

В результате этого анализа вытекают средства контроля (требования) к параметрам процесса (например, масса делящегося материала, оборудование). Эти средства управления, пассивные (физические), активные (механические) или административные (человеческие), реализуются с помощью изначально безопасных или отказоустойчивых конструкций предприятий или, если такие конструкции практически неосуществимы, с помощью административных средств управления , таких как рабочие процедуры, рабочие процедуры и рабочие места. инструкции и другие средства для сведения к минимуму возможности значительных изменений процесса, которые могут привести к аварии, связанной с ядерной критичностью.

Принципы

Полая кольцевая форма этого слитка плутония способствует утечке нейтронов и, таким образом, снижает вероятность критичности.

Проще говоря, система будет иметь решающее значение, если скорость образования нейтронов в результате деления точно уравновешивается скоростью, с которой нейтроны либо поглощаются, либо теряются из системы из-за утечки. Безопасные подкритические системы можно спроектировать, гарантируя, что потенциальная совокупная скорость поглощения и утечки всегда превышает потенциальную скорость производства нейтронов.

Параметры, влияющие на критичность системы, можно запомнить с помощью мнемоники MAGICMERV . Некоторые из этих параметров не являются независимыми друг от друга; например, изменение массы приведет, среди прочего, к изменению объема.

M ass : Вероятность деления увеличивается по мере увеличения общего числа делящихся ядер. Отношения не являются линейными. Если делящееся тело имеет заданный размер и форму, но различную плотность и массу, существует порог, ниже которого критичность не может возникнуть. Этот порог называется критической массой .

Поглощение : Поглощение удаляет нейтроны из системы. Большое количество поглотителей используется для контроля или снижения вероятности возникновения критичности. Хорошими поглотителями являются бор , кадмий , гадолиний , серебро и индий .

Геометрия /форма : Форма делящейся системы влияет на то, насколько легко нейтроны могут покинуть ее (утечку), и в этом случае они не могут вызвать события деления в делящемся материале. Следовательно, форма делящегося материала влияет на вероятность возникновения событий деления. Форма с большой площадью поверхности, например тонкая пластина, способствует утечке и безопаснее, чем такое же количество делящегося материала в небольшой компактной форме, такой как куб или сфера.

Взаимодействие единиц : Нейтроны, вылетевшие из одной единицы, могут попасть в другую. Два блока, которые сами по себе являются подкритическими, могут взаимодействовать друг с другом, образуя критическую систему. Расстояние, разделяющее блоки и любой материал между ними, влияет на эффект.

Концентрация /Плотность : Нейтронные реакции, приводящие к реакциям рассеяния, захвата или деления, с большей вероятностью происходят в плотных материалах; и наоборот, нейтроны с большей вероятностью ускользнут (утечки) из материалов с низкой плотностью.

Умеренность : Нейтроны, образующиеся в результате деления , обычно быстрые (высокие энергии). Эти быстрые нейтроны не вызывают деления так же легко, как более медленные (менее энергичные). Нейтроны замедляются ( замедляются ) при столкновении с атомными ядрами. Наиболее эффективными замедляющими ядрами являются водород, дейтерий , бериллий и углерод. Следовательно, водородосодержащие материалы, включая нефть, полиэтилен, воду, древесину, парафин и человеческое тело, являются хорошими замедлителями. Обратите внимание, что модерация возникает из-за коллизий; поэтому большинство модераторов также являются хорошими отражателями.

Обогащение : на вероятность реакции нейтрона с делящимся ядром влияет относительное количество делящихся и неделящихся ядер в системе. Процесс увеличения относительного числа делящихся ядер в системе называется обогащением . Обычно низкое обогащение означает меньшую вероятность критичности, а высокое обогащение означает большую вероятность.

Отражение : Когда нейтроны сталкиваются с другими атомными частицами (в первую очередь с ядрами) и не поглощаются, они рассеиваются (т.е. меняют направление). Если изменение направления достаточно велико, нейтроны, которые только что вырвались из делящегося тела, могут отклониться обратно в него, увеличивая вероятность деления. Это называется «отражение». К хорошим отражателям относятся водород, бериллий , углерод, свинец, уран, вода, полиэтилен, бетон, карбид вольфрама и сталь.

Объем . : для тела делящегося материала любой заданной формы увеличение размера тела увеличивает среднее расстояние, которое нейтроны должны пройти, прежде чем они смогут достичь поверхности и улететь Следовательно, увеличение размера тела увеличивает вероятность деления и уменьшает вероятность утечки. Следовательно, для любой заданной формы (и условий отражения - см. ниже) будет размер, который дает точный баланс между скоростью производства нейтронов и совокупной скоростью поглощения и утечки. Это критический размер.

Другие параметры включают в себя:

Температура : этот конкретный параметр менее распространен для специалиста по обеспечению критичности, как в типичной рабочей среде, где изменение температуры минимально или где повышение температуры не оказывает отрицательного влияния на критичность системы, часто предполагается, что эта комнатная температура является границей фактической температуры анализируемой системы. Однако это всего лишь предположение. Специалисту по обеспечению критичности важно понимать, где это не применимо, например, к высокотемпературным реакторам или низкотемпературным криогенным экспериментам.

Гетерогенность : важное значение имеет смешивание делящихся порошков с раствором, измельчение порошков или отходов или другие процессы, влияющие на мелкомасштабную структуру делящихся материалов. Хотя обычно это называется контролем гетерогенности, в целом проблема заключается в поддержании однородности, поскольку однородный случай обычно менее реактивен. В частности, при более низком обогащении система может быть более реакционноспособной в гетерогенной конфигурации по сравнению с гомогенной конфигурацией.

Физико-химическая форма : включает контроль физического состояния (т.е. твердое, жидкое или газообразное) и формы (например, раствор, порошок, сырые или спеченные гранулы или металл) и/или химического состава (например, гексафторид урана, фторид уранила, нитрат плутония или смешанный оксид) конкретного делящегося материала. Физико-химическая форма может косвенно влиять на другие параметры, такие как плотность, замедление и поглощение нейтронов.

Расчеты и анализ

Чтобы определить, безопасна ли данная система, содержащая делящийся материал, необходимо рассчитать ее нейтронный баланс. Во всех случаях, кроме очень простых, обычно требуется использование компьютерных программ для моделирования геометрии системы и свойств ее материала.

Аналитик описывает геометрию системы и материалов, обычно используя консервативные или пессимистические предположения. Плотность и размер любых поглотителей нейтронов сведены к минимуму, а количество делящегося материала максимально. Поскольку некоторые модераторы также являются поглотителями, аналитик должен быть осторожен, моделируя их пессимистично. Компьютерные коды позволяют аналитикам описывать трехмерную систему с граничными условиями. Эти граничные условия могут представлять собой реальные границы, такие как бетонные стены или поверхность пруда, или могут использоваться для представления искусственной бесконечной системы с использованием периодических граничных условий. Они полезны при представлении большой системы, состоящей из множества повторяющихся единиц.

Компьютерные коды, используемые для анализа безопасности по критичности, включают OPENMC (MIT), COG (США), МОНК (Великобритания), ВЕСЫ/КЕНО (США), MCNP (США), и CRISTAL (Франция).

Кредит выгорания

Традиционный анализ критичности предполагает, что делящийся материал находится в наиболее реактивном состоянии, которое обычно имеет максимальное обогащение и не подвергается облучению. Для хранения и транспортировки отработавшего ядерного топлива можно использовать кредит выгорания, чтобы обеспечить более плотную упаковку топлива, что сокращает пространство и позволяет безопасно обращаться с большим количеством топлива. Чтобы реализовать кредит выгорания, топливо моделируется как облученное с использованием пессимистических условий, которые создают изотопный состав, репрезентативный для всего облученного топлива. Облучение топлива приводит к образованию актинидов, состоящих как из поглотителей нейтронов, так и из делящихся изотопов, а также продуктов деления , поглощающих нейтроны .

В бассейнах хранения топлива с использованием кредита выгорания предусмотрены отдельные зоны для хранения свежего и облученного топлива. Для хранения топлива в хранилище облученного топлива оно должно удовлетворять кривой загрузки которая зависит от начального обогащения и облучения.

См. также

• Критическая масса
• Авария с критичностью
• Ядерные и радиационные аварии и инциденты
• Всемирная ассоциация операторов атомной энергетики