Siguranța criticității nucleare - Nuclear criticality safety

Siguranța criticității nucleare este un domeniu al ingineriei nucleare dedicat prevenirii accidentelor nucleare și a radiațiilor rezultate dintr-o reacție în lanț nuclear în mod involuntar și autosusținută .

Siguranța criticității nucleare este preocupată de atenuarea consecințelor unui accident de criticitate nucleară . Un accident de criticitate nucleară are loc în urma operațiunilor care implică material fisibil și are ca rezultat o eliberare bruscă și potențial letală a radiațiilor .

Practicanții în materie de siguranță a criticității nucleare încearcă să prevină accidentele de criticitate nucleară analizând condițiile anormale normale și credibile în operațiunile cu materiale fisibile și proiectând aranjamente sigure pentru prelucrarea materialelor fisibile. O practică obișnuită este aplicarea unei analize de dublă contingență operațiunii în care trebuie să aibă loc două sau mai multe modificări independente, concurente și improbabile în condițiile procesului înainte de a se produce un accident de criticitate nucleară. De exemplu, prima modificare a condițiilor poate fi inundarea completă sau parțială și a doua schimbare o reamenajare a materialului fisibil.

Controalele (cerințele) parametrilor procesului (de exemplu, masa materialului fisibil, echipamentul) rezultă din această analiză. Aceste controale, fie pasive (fizice), active (mecanice) sau administrative (umane), sunt implementate prin proiecte inerente de instalații sigure sau tolerante la defecțiuni sau, dacă aceste proiecte nu sunt practicabile, prin controale administrative, cum ar fi procedurile de operare, lucrarea instrucțiuni și alte mijloace pentru a minimiza potențialul de schimbări semnificative ale procesului care ar putea duce la un accident de criticitate nucleară.

Principii

Forma inelului gol al acestui lingou de plutoniu favorizează scurgerea de neutroni și astfel reduce probabilitatea de criticitate.

Ca o analiză simplistă, un sistem va fi exact critic dacă rata producției de neutroni din fisiune este exact echilibrată de rata la care neutronii sunt fie absorbiți, fie pierduți din sistem din cauza scurgerilor. Sistemele subcritice sigure pot fi proiectate asigurându-se că rata potențială combinată de absorbție și scurgere depășește întotdeauna rata potențială de producție a neutronilor.

Parametrii care afectează criticitatea sistemului pot fi amintiți folosind MAGICMERV mnemonic . Unii dintre acești parametri nu sunt independenți unul de altul; de exemplu, schimbarea masei va avea ca rezultat o schimbare a volumului printre altele.

M ass : Probabilitatea de fisiune crește odată cu creșterea numărului total de nuclee fisibile. Relația nu este liniară. Dacă un corp fisibil are o dimensiune și o formă date, dar densitatea și masa variabilă, există un prag sub care nu poate apărea criticitatea. Acest prag se numește masa critică .

A bsorbție : Absorbția elimină neutronii din sistem. Cantități mari de absorbante sunt utilizate pentru a controla sau reduce probabilitatea unei criticități. Absorbanții buni sunt borul, cadmiul , gadoliniu , argintul și indiul .

G eometry / Forma : Forma sistemului fisionabil afectează câtușor poate scăpa neutroni (scurgeri) din aceasta, în cazulcare acestea nu sunt disponibile pentru a provoca fisiune evenimente în materialul fisionabil. Prin urmare, forma materialului fisibil afectează probabilitatea apariției evenimentelor de fisiune. O formă cu o suprafață mare, cum ar fi o placă subțire, favorizează scurgerile și este mai sigură decât aceeași cantitate de material fisibil într-o formă mică, compactă, cum ar fi un cub sau o sferă.

I nteraction de unități : Neutronii scurgerila o unitate poate intraalta. Două unități, care în sine sunt sub-critice, ar putea interacționa între ele pentru a forma un sistem critic. Distanța care separă unitățile și orice material dintre ele influențează efectul.

C oncentration / Densitate : reacții neutroniceconduc la împrăștierea, reacțiilecaptare sau fisiune sunt mult mai probabil să apară în materiale dense; invers, neutronii sunt mai predispuși să scape (scurgeri) din materiale cu densitate redusă.

M oderație : Neutronii rezultați din fisiune sunt de obicei rapide (energie ridicată). Acești neutroni rapizi nu provoacă fisiune la fel de ușor ca și cei mai încet (mai puțin energici). Neutronii sunt încetiniți ( moderați ) prin coliziune cu nucleii atomici. Cei mai eficienți nuclei moderatori sunt hidrogenul, deuteriul , beriliul și carbonul. Prin urmare, materialele hidrogenate, inclusiv uleiul, polietilena, apa, lemnul, parafina și corpul uman sunt buni moderatori. Rețineți că moderarea provine din coliziuni; prin urmare, majoritatea moderatorilor sunt, de asemenea, reflectori buni.

E nrichment : Probabilitatea ca un neutron să reacționeze cu un nucleu fisibil este influențată de numărul relativ de nuclei fisibili și non-fissili dintr-un sistem. Procesul de creștere a numărului relativ de nuclee fisibile într-un sistem se numește îmbogățire . De obicei, îmbogățirea redusă înseamnă o probabilitate mai mică de criticitate, iar îmbogățirea ridicată înseamnă o probabilitate mai mare.

R eflection : Când neutroniiciocnesc cu alte particule atomice (principal nuclee) și nu sunt absorbite, ele sunt împrăștiate (adică schimba direcția). Dacă schimbarea direcției este suficient de mare, neutronii care tocmai au scăpat dintr-un corp fisilabil pot fi deviați înapoi în el, crescând probabilitatea de fisiune. Aceasta se numește „reflecție”. Reflectoarele bune includ hidrogen, beriliu , carbon, plumb, uraniu, apă, polietilenă, beton, carbură de tungsten și oțel.

V olume : Pentru un corp de material fisibil în orice formă dată, creșterea dimensiunii corpului crește distanța medie pe care trebuie să o parcurgă neutronii înainte ca aceștia să poată ajunge la suprafață și să scape. Prin urmare, creșterea dimensiunii corpului crește probabilitatea de fisiune și scade probabilitatea scurgerii. Prin urmare, pentru orice formă dată (și condiții de reflexie - vezi mai jos) va exista o dimensiune care oferă un echilibru exact între rata producției de neutroni și rata combinată de absorbție și scurgere. Aceasta este dimensiunea critică.

Alți parametri includ:

Temperatura : acest parametru particular este mai puțin frecvent pentru practicantul de siguranță a criticității, ca într-un mediu de operare tipic, în care variația temperaturii este minimă sau în care creșterea temperaturii nu afectează negativ criticitatea sistemului, de multe ori, se presupune acel temperat de cameră limitează temperatura reală a sistemului analizat. Cu toate acestea, aceasta este doar o ipoteză, este important ca practicantul siguranței criticilor să înțeleagă unde acest lucru nu se aplică, cum ar fi reactoarele cu temperatură ridicată sau experimentele criogenice la temperatură scăzută.

Heterogenitate : Este importantă amestecarea pulberilor fisibile în soluție, măcinarea pulberilor sau resturilor sau alte procese care afectează structura la scară mică a materialelor fissile. Deși este denumit în mod normal control al eterogenității, în general preocuparea este menținerea omogenității, deoarece cazul omogen este de obicei mai puțin reactiv. În special, la o îmbogățire mai mică, un sistem poate fi mai reactiv într-o configurație eterogenă comparativ cu o configurație omogenă.

Forma fizico-chimică : constă în controlul stării fizice (adică, solid, lichid sau gazos) și a formei (de exemplu, soluție, pulbere, pelete verzi sau sinterizate sau metal) și / sau compoziția chimică (de exemplu, hexafluorură de uraniu, fluorură de uranil, azotat de plutoniu sau oxid mixt) dintr-un anumit material fisibil. Forma fizico-chimică ar putea afecta indirect alți parametri, cum ar fi densitatea, moderarea și absorbția neutronilor.

Calcule și analize

Pentru a stabili dacă un sistem dat care conține materiale fisibile este sigur, trebuie calculat echilibrul său de neutroni. În toate cazurile, dar foarte simple, acest lucru necesită de obicei utilizarea de programe de calculator pentru a modela geometria sistemului și proprietățile sale materiale.

Analistul descrie geometria sistemului și a materialelor, de obicei cu ipoteze conservatoare sau pesimiste. Densitatea și dimensiunea oricărui absorbitor de neutroni este minimizată, în timp ce cantitatea de material fisibil este maximizată. Deoarece unii moderatori sunt, de asemenea, absorbanți, analistul trebuie să fie atent atunci când îi modelează pentru a fi pesimisti. Codurile computerului permit analiștilor să descrie un sistem tridimensional cu condiții limită. Aceste condiții de graniță pot reprezenta granițe reale, cum ar fi pereții de beton sau suprafața unui iaz, sau pot fi utilizate pentru a reprezenta un sistem artificial infinit folosind o condiție de graniță periodică. Acestea sunt utile atunci când reprezintă un sistem mare format din mai multe unități repetate.

Codurile computerului utilizate pentru analizele de siguranță ale criticității includ OPENMC (MIT), COG (SUA), MONK (Marea Britanie), SCALE / KENO (SUA), MCNP (SUA) și CRISTAL (Franța).

Credit de ardere

Analizele tradiționale de criticitate presupun că materialul fisibil se află în starea sa cea mai reactivă, care este de obicei la îmbogățire maximă , fără iradiere. Pentru depozitarea și transportul combustibilului nuclear uzat , creditul de ardere poate fi utilizat pentru a permite ambalarea mai strânsă a combustibilului, reducând spațiul și permițând manipularea în siguranță a mai multor combustibili. Pentru a implementa creditul de ardere, combustibilul este modelat ca fiind iradiat folosind condiții pesimiste care produc o compoziție izotopică reprezentativă pentru tot combustibilul iradiat. Iradierea combustibilului produce actinide formate atât din absorbanți de neutroni, cât și din izotopi fisionabili , precum și din produse de fisiune care absorb neutronii .

În bazinele de stocare a combustibilului care utilizează credit de ardere , regiunile separate sunt proiectate pentru stocarea combustibilului proaspăt și iradiat. Pentru a stoca combustibilul în depozitul de combustibil iradiat, acesta trebuie să îndeplinească o curbă de încărcare care depinde de îmbogățirea și iradierea inițiale.

Vezi si

• Masa critica
• Accident de criticitate
• Accidente și incidente nucleare și radiații
• Asociația Mondială a Operatorilor Nucleari

Referințe