Factor de multiplicación de neutrones rápidos

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El factor de multiplicación de neutrones rápidos $\mu$ es un valor que muestra durante una reacción nuclear en cadena en un reactor de neutrones térmicos , cuántas veces más neutrones se producen durante las fisiones , incluidas las causadas por neutrones rápidos , en comparación con las fisiones debidas únicamente a neutrones térmicos .

Reproducción en neutrones rápidos

En los reactores de neutrones térmicos, la multiplicación rápida de neutrones ocurre si el combustible nuclear contiene un isótopo capaz de fisión forzada al interactuar con neutrones rápidos. En este caso, tales fisiones aumentan adicionalmente el número de neutrones, acelerando la reacción en cadena. El factor de multiplicación de los neutrones rápidos es igual a la relación entre el número de neutrones producidos con la fisión nuclear bajo la acción de los neutrones rápidos y el número de neutrones generados sin dichas fisiones.

El factor de multiplicación de los neutrones rápidos depende de la composición del combustible y de la forma del reactor. En los reactores de neutrones térmicos con combustible nuclear de uranio poco enriquecido , la concentración de 238 U es varias veces mayor que la concentración de 235 U. Los neutrones rápidos MeV provocan muchas menos fisiones de 235 U que fisiones de 238 U. Por lo tanto, la contribución del primer isótopo a la multiplicación de neutrones rápidos no suele tenerse en cuenta, mientras que el segundo tiene un efecto notable. $E_{n}>1{,}0$

Ambiente homogéneo

En un núcleo homogéneo , los núcleos de 238 U están rodeados por una gran cantidad de núcleos moderadores . Es más probable que los neutrones de fisión, al penetrar a través de este entorno, experimenten colisiones con núcleos moderadores ligeros. En este caso, los neutrones pierden energía, que queda por debajo del umbral de fisión de 238 U, es decir, la mayoría de los neutrones rápidos se ralentizan y no pueden provocar la fisión de los núcleos de este isótopo. Por lo tanto, el factor de multiplicación de neutrones rápidos en reactores homogéneos es cercano a la unidad.

Entorno heterogéneo

En un reactor heterogéneo , los neutrones de fisión primero se mueven en barras de combustible entre núcleos de 238 U en ausencia de un moderador. Por tanto, en un reactor heterogéneo, la colisión de un neutrón con un núcleo de 238 U y su posterior fisión tiene una probabilidad mucho mayor que en un reactor homogéneo. Su valor es mayor cuanto mayor es el número de núcleos de 238 U en el camino de un neutrón rápido. Depende del tamaño de los elementos combustibles, la concentración de 238 U y también del espaciado de cuadrícula de la ubicación de los elementos combustibles . Por ejemplo, con un elemento combustible de mayor grosor, el camino de los neutrones es más largo que con uno más pequeño, lo que significa que el factor de multiplicación para los neutrones rápidos en el primer caso es mayor que en el segundo. $a$

Si el paso de la red es mucho mayor que la longitud de dispersión de un neutrón rápido en el moderador , entonces la mayoría de los neutrones que ingresan a otro elemento combustible se ralentizan a energías MeV, lo que no es suficiente para un número significativo de fisiones 238 U. Por lo tanto, para redes con un paso , la multiplicación por neutrones rápidos prácticamente no va más allá de los límites del elemento combustible; por lo tanto, el coeficiente está determinado solo por el tamaño y la composición del elemento combustible. Por ejemplo, para varillas de radio , compuestas de uranio natural: $a$ ${\ estilo de visualización \ lambda _ {S}}$ $E_{n}<1{,}0$ ${\ estilo de visualización a \ gg \ lambda _ {S}}$ $\mu$ $R$

\mu \aprox. 1+1{,}75\cdot 10^{-2}R

En los reactores de agua a presión, las barras de combustible forman una red estrecha ( ). Esta disposición de las barras de combustible reduce la absorción de neutrones térmicos en el agua. En redes cerradas, los neutrones de fisión pueden pasar a través de varios elementos combustibles antes de reducir su velocidad por debajo del umbral de energía de fisión de 238 U. El factor de multiplicación más alto en neutrones rápidos en VVER . Para la relación del número de núcleos de hidrógeno y 238 U , el factor de multiplicación de los neutrones rápidos se calcula mediante la fórmula aproximada: $a\ll \lambda _{S}$ $N_{H}/N_{8}>3$

{\displaystyle \mu \aprox. 1+0{,}22\cdot N_{8}/N_{H))

Calculemos el factor de multiplicación para neutrones rápidos:

Para una red de uranio-grafito con = 14 cm y un diámetro de barra de uranio natural de 3 cm, la longitud de dispersión en grafito = 2,5 cm, por lo que podemos suponer que . Por lo tanto, . $a$ ${\ estilo de visualización \ lambda _ {S}}$ ${\ estilo de visualización a \ gg \ lambda _ {S}}$ $\mu =1+1{,}75\cdot 10^{-2}\cdot 3/2\aprox. 1{,}026$
Para VVER con : . $N_{H}/N_{8}\geqslant 5$ $\mu \aprox. 1+0{,}22\cdot 1/5=1{,}044$

Véase también

Factor de multiplicación de neutrones

Literatura

Klimov A. N. Física nuclear y reactores nucleares. M. Atomizdat , 1971.
Levin VE Física nuclear y reactores nucleares. 4ª ed. — M.: Atomización , 1979.
Petunin V.P. Ingeniería de energía térmica de instalaciones nucleares M.: Atomizdat , 1960.