據(jù)外媒報道， 根據(jù)最近發(fā)表在《Nature Communications Physics》上的一項新研究，核反應堆中長期理論的中子聚集效應首次被證明 ，這可以提高反應堆的安全性并創(chuàng)建出更精確的模擬。

洛斯·阿拉莫斯先進核技術集團(Los Alamos Advanced Nuclear Technology Group)的工程師Nicholas Thompson指出：“中子聚集現(xiàn)象已經(jīng)理論化多年，但從未在工作中的反應堆中進行過分析。研究結果表明，隨著中子裂變并產生更多的中子，一些會繼續(xù)形成大的星系團，而另一些則會迅速消亡從而導致所謂的‘能量傾斜’或不對稱的能量產生。”

據(jù)悉，了解這些聚類波動對安全性和模擬的準確性尤其重要，特別是在核反應堆開始啟動的時候。這項研究是跟位于法國的輻射防護和核安全研究所(IRSN)和原子能委員會(CEA)合作進行的。

Thompson表示：“我們能模擬核反應堆中每個中子的壽命，基本上就是為每個中子建立一個家譜。我們看到的是，即使反應堆是非常關鍵的從一代到下一代的裂變數(shù)量是偶數(shù)的也可能會形成簇群，其他簇也會很快消失。”

理解這種聚集現(xiàn)象變得非常重要，因為有一個被稱為賭徒破產的統(tǒng)計概念，據(jù)信是由Blaise Pascal推導出來的。在一個賭博的類比中，這個概念指出，即使賭徒在每個單獨的賭注中贏或輸?shù)膸茁适?0%，但在足夠的賭注過程中，統(tǒng)計上賭徒破產的可能性是100%。

在核反應堆中，一代又一代，每個中子死亡或裂變產生更多中子的幾率也都差不多是50%。根據(jù)賭徒破產概念，從統(tǒng)計上看，反應堆中的中子可能有機會在未來的某一代完全消失，即使系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)。

這一概念在生物學和流行病學等其他科學領域也得到了廣泛研究，這些領域也存在換代聚集現(xiàn)象。研究小組通過利用相關的統(tǒng)計數(shù)學得以分析出賭徒破產概念是否適用于核反應堆中的中子。

“你會認為這個理論是正確的，”在該實驗室的先進核技術小組工作的Jesson Hutchinson說道，“你應該有一個臨界系統(tǒng)，雖然中子的數(shù)量在幾代人之間是不同的，但它有可能變成亞臨界并失去所有的中子。但事實并非如此。”

為了理解為什么賭徒破產概念不成立，研究人員使用了位于紐約Walthousen反應堆關鍵設施的一個低功率核反應堆。低功率反應堆對于追蹤單個中子的壽命至關重要，因為大型反應堆在任何時候都可能有數(shù)萬億次的相互作用。該團隊使用了三種不同的中子探測器，包括洛斯阿拉莫斯開發(fā)的Neutron Multiplicity 3He Array Detector(NoMAD)，其用來追蹤反應堆內部的每一次相互作用。

研究小組發(fā)現(xiàn)，雖然幾代中子會聚集在大型的族譜中，而其他的則會消失，但在小型反應堆中，由于自發(fā)裂變或反應堆內放射性物質的非誘導核分裂，避免了完全死亡，這將產生更多的中子。這種裂變和自發(fā)裂變的平衡防止了中子種群完全消失，而且它也傾向于緩和中子聚集產生的能量爆發(fā)。

Hutchinson說道：“商業(yè)規(guī)模的核反應堆并不僅僅依靠中子數(shù)量來達到臨界狀態(tài)，因為它們有其他的干預措施如溫度和控制棒設置。但這項測試的興趣在于回答有關反應堆中中子行為的基本問題，其結果將對我們用來模擬反應堆的數(shù)學產生影響，甚至可能影響未來的設計和安全程序。”

關鍵詞： 核反應堆 理論中子 聚集效應科學領域