Prompt kritische

Anngret Bischof Kann 13, 2016 P 13 0
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In der Kerntechnik, ist eine Versammlung prompt kritisch, wenn für jedes Kernspaltungsereignis, eine oder mehrere der unmittelbaren oder prompten Neutronen freigesetzt bewirkt eine zusätzliche Spaltung Veranstaltung. Dieses bewirkt eine schnelle, exponentiellen Zunahme der Anzahl der Spaltereignisse. Aufforderung Kritikalität ist ein Spezialfall des superkritischen.

Kritikalität

Eine Anordnung ist kritisch, wenn jeder Spaltung Ereignis bewirkt im Durchschnitt genau eine nach der anderen. Dies führt zu einer sich selbst erhaltenden Kernspaltungs-Kettenreaktion. Wenn ein U235 Atom erfährt Kernspaltung entsperrt sie typischerweise zwischen 1 und 7 Neutronen. In dieser Situation ist eine Baugruppe kritischen wenn jeder Freigabe Neutronen hat einen 1 / 2,4 = 0,42 = 42% Wahrscheinlichkeit, eine andere Spaltungsereignis im Gegensatz zu entweder durch einen nicht-Spalterfassungsereignisses absorbiert oder Entweichen aus dem spaltbaren Kern.

Die durchschnittliche Anzahl von Neutronen, die neue Spaltereignisse verursachen, wird als effektive Neutronenmultiplikationsfaktor, üblicherweise durch die Symbole K bezeichnet günstiger, k-eff oder k. Wenn k günstiger gleich 1 ist, wird die Anordnung kritisch genannt, wenn k günstiger kleiner als 1 wird die Anordnung die unterkritisch ist, und wenn k günstiger größer als 1 ist die Anordnung heißt überkritisch.

Kritisch gegenüber Aufforderung kritischen

In einem überkritischen Anordnung die Anzahl der Spaltvorgänge pro Zeiteinheit, N, zusammen mit der Energieproduktion, steigt exponentiell mit der Zeit. Wie schnell er wächst von der durchschnittlichen Zeit, die, T, für die Neutronen in einem Spaltungsereignis freigegeben wird, um eine weitere Spaltung verursachen. Die Wachstumsrate der Reaktion ist gegeben durch:

Die meisten der Neutronen durch einen Spalt Fall freigesetzt sind die, die bei der Spaltung selbst freigegeben. Diese werden als die schnelle Neutronen und schlagen andere Kerne und verursachen zusätzliche Spaltungen innerhalb von Mikrosekunden. Jedoch eine geringe zusätzliche Neutronenquelle ist die Spaltprodukte. Einige der Kerne aus der Spaltung ergebenden sind radioaktive Isotope mit kurzen Halbwertszeiten und Kernreaktionen unter ihnen frei zusätzlichen Neutronen nach einer langen Verzögerung von bis zu mehreren Minuten nach der anfänglichen Spalt Veranstaltung. Diese Neutronen, die im Durchschnitt machen weniger als ein Prozent der Gesamt Neutronen durch Kernspaltung freigesetzt werden verzögerten Neutronen genannt. Der relativ langsame Zeitskala, auf dem verzögerten Neutronen erscheinen, ist ein wichtiger Aspekt bei der Konstruktion von Kernreaktoren, denn sie ermöglicht die Reaktorleistung über den schrittweisen, mechanische Bewegung der Steuerstäbe gesteuert werden. Typischerweise Steuerstäbe enthalten Neutronengifte als Mittel zur Veränderung k günstiger. Mit Ausnahme der Versuchs gepulsten Reaktoren, Kernreaktoren sind entworfen, um auf eine verzögerte kritischen Modus betrieben und sind mit Sicherheitssystemen versehen, um sie von Prompt Kritikalität haupt erzielen zu verhindern.

In einer verzögerten kritischen Montage werden die verzögerten Neutronen notwendig k günstiger größer zu machen. Also die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Generationen der Reaktion, T, wird durch die Zeit, die für die verzögerten Neutronen freigesetzt werden, in der Größenordnung von Sekunden oder Minuten dominiert. Daher wird die Reaktion langsam zu erhöhen, mit einer langen Zeitkonstante. Dies ist langsam genug, damit die Reaktion mit dem elektromechanischen Steuersysteme wie Steuerstäbe gesteuert werden, und als solche alle Kernreaktoren sind so ausgelegt, in der verzögerten Kritikalität Regime zu betreiben.

Im Gegensatz dazu ist ein überkritisches Montage gesagt, dass Aufforderung-kritisch, wenn es kritisch, ohne jede Beteiligung verzögerten Neutronen und super-Prompt-kritisch, wenn es überkritischen ohne Beteiligung verzögerten Neutronen ist. In diesem Fall ist die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Generationen der Reaktion, T, ist nur durch die Lebensdauer der prompten Neutronen beschränkt und die Steigerung der Reaktions extrem schnell sein, was eine schnelle Freisetzung von Energie innerhalb von wenigen Millisekunden. Prompt kritischen Baugruppen sind durch Design in Atomwaffen und einige speziell für Forschungsexperimente erstellt.

Bei der Unterscheidung zwischen einer Neutronenaufforderung im Vergleich zu einem verzögerten Neutronen hat der Unterschied zwischen den beiden, mit der Quelle, aus der das Neutron in den Reaktor bekannt machen. Die Neutronen, einmal freigegeben, haben keinen Unterschied mit Ausnahme der Energie oder Geschwindigkeit, die ihnen verliehene wurden. Eine nukleare Waffe stützt sich stark auf super-Prompt-Kritikalität, während Kernreaktoren verwenden verzögerten Kritikalität zu steuerbaren Leistungsstufen für Monate oder Jahre zu produzieren.

Kernreaktoren

Zur Gründung eines steuerbaren Spaltungsreaktion, muss die Montage verzögert kritische werden. Mit anderen Worten, muss k größer als 1 sein, ohne Überquerung der Prompt-kritische Schwelle. In Kernreaktoren ist dies aufgrund verzögerten Neutronen möglich. Denn es dauert eine gewisse Zeit, bis diese Neutronen nach einer Spaltungsereignis abgegeben wird, ist es möglich, die Kernreaktion unter Verwendung von Steuerstäben zu steuern.

Einem stationären Reaktor wird so betrieben, dass es wichtig ist, wegen der verzögerten Neutronen, würde aber nicht so sein, ohne ihren Beitrag. Während einer schrittweisen und absichtliche Erhöhung der Reaktorleistung ist der Reaktor mit verzögerter kritischem. Die exponentielle Zunahme der Reaktor-Aktivität langsam genug ist, um zu ermöglichen, um die Kritikalität Faktor k zu steuern, durch Einfügen oder Herausziehen der Stäbe Neutronen absorbierendes Material. Verwenden Sie vorsichtig Steuerstabbewegungen, ist es somit möglich, ein überkritisches Reaktorkern ohne Erreichen einer unsicheren Aufforderung kritischen Zustand zu erreichen.

Einmal pro Reaktoranlage ist an ihrem Ziel oder Designleistungspegel betrieben wird, kann er betätigt werden, um ihre kritische Bedingung für längere Zeit aufrechtzuerhalten.

Prompt kritische Unfälle

Kernreaktoren können anfällig für auffordern-Kritikalität Unfälle sein, wenn eine große Zunahme der k günstiger erfolgt, zB nach Scheitern ihrer Steuerungs- und Sicherheitssysteme. Die schnelle unkontrollierbaren Anstieg der Reaktorleistung in Aufforderung kritischen Bedingungen ist wahrscheinlich, um den Reaktor zu irreparablen Schäden und in extremen Fällen kann die Rückhaltung des Reaktors durchbrechen. Kernreaktoren "Sicherheitssysteme wurden entwickelt, um die schnelle Kritikalität zu vermeiden und, für die Verteidigung in der Tiefe, Reaktorstrukturen stellen auch mehrere Schichten von Containment als Vorsichtsmaßnahme gegen jegliche unbeabsichtigte Freisetzung von radioaktiven Spaltprodukte.

Mit Ausnahme der Forschungs- und Versuchsreaktoren, nur eine kleine Anzahl von Reaktorunfällen sind gedacht, um prompte Kritikalität erreicht haben, zum Beispiel Tschernobyl # 4, der US-Armee SL-1 und sowjetischen U-Boot K-431. In allen diesen Beispielen war die unkontrollierte Anstieg der Strom ausreichend, um eine Explosion, die jeden Reaktor zerstört und Freigabe radioaktiven Spaltprodukte in die Atmosphäre verursachen.

In Tschernobyl im Jahr 1986 wurde eine ungewöhnliche und unsichere Test durchgeführt, die in einem überhitzten Reaktorkern geführt. Dies führte zu dem Aufbrechen der Brennelemente und Wasserleitungen, die Verdampfung von Wasser, einer Dampfexplosion und einer Graphit Feuer. Geschätzten Leistungspegel vor dem Vorfall vermuten, dass es im Überschuß von 30 GW, das Zehnfache seines 3 GW maximalen Wärmeleistung betrieben wird. 2000-Tonnen-Deckels des Reaktorkammer wurde von der Dampfexplosion gehoben. Da der Reaktor nicht mit einem Containment in der Lage ist mit diesem katastrophale Explosion ausgelegt, die versehentlich losgelassen große Mengen an radioaktivem Material in die Umwelt. Die Brandkatastrophe in der Graphit-Neutronenmoderator gesetzt, das Problem, das Senden große Mengen an radioaktiven Trümmer in die Atmosphäre.

In den anderen zwei Fällen konnten die Reaktoranlagen aufgrund von Fehlern während eines Wartungsabschaltung, die durch die schnelle und unkontrollierte Entfernung von zumindest einer Steuerstange hervorgerufen wurde. Der SL-1 war ein Prototyp-Reaktor für die Verwendung durch die US-Armee in abgelegenen Polar Standorten vorgesehen. An der SL-1-Anlage im Jahr 1961 wurde der Reaktor aus Abschaltung gebracht kritischen Zustand durch die zentrale Steuerstange manuell Extrahieren zu weit aufgefordert. Da das Wasser in den Kern schnell an Dampf umgewandelt und erweitert, sprang der 26.000-Pfund-Reaktorgefäß 9 Fuß 1 Zoll, so dass Erfahrungen in der obigen Decke. Alle drei Männer die Durchführung der Wartungsverfahren starb an Verletzungen. 1.100 Curie Spaltprodukte wurden freigelassen, wie Teile des Kerns wurden vertrieben. Es dauerte 2 Jahre, um den Unfall zu untersuchen und säubern Sie die Seite. Der Überschuss Aufforderung Reaktivität des SL-1-Kern wurde in einem Bericht 1962 berechnet:

In der K-431 Reaktorunfall, 10 wurden bei einem Betankungsvorgang getötet. Die K-431 Explosion zerstört die angrenzenden Maschinenräume und zerrissen des U-Boots-Rumpf. In diesen beiden Katastrophen, gingen die Reaktoranlagen von Abschaltung zu extrem hohen Leistungsniveaus in einem Bruchteil einer Sekunde, eine Beschädigung der Reaktoranlagen nicht mehr zu reparieren.

Liste der zufälligen prompt kritische Ausflüge

Eine Reihe von Forschungsreaktoren und Tests haben absichtlich untersuchte den Betrieb eines schnellen kritischen Reaktoranlage. CRAC, KEWB, Spert-I, Godiva Gerät, und Borax Experimente trugen zu dieser Forschung. Allerdings haben viele Unfälle sich auch stattgefunden hat, in erster Linie bei der Forschung und Verarbeitung von Kernbrennstoffen. SL-1 ist der bemerkenswerten Ausnahme.

Die folgende Liste der prompt kritische Leistungs Ausflüge aus einem im Jahr 2000 von einem Team von amerikanischen und russischen Atomwissenschaftler, der Kritikalität Unfälle, von der Los Alamos Scientific Laboratory, dem Standort der viele der Exkursionen veröffentlicht studierte vorgelegten Berichts angepasst. Eine typische Leistungsexkursion ist etwa 1 x 10 Spaltungen.

  • Los Alamos Scientific Laboratory, 11. Februar 1945
  • Los Alamos Scientific Laboratory, Dezember 1949, 3 oder 4 x 10 Spaltungen
  • Los Alamos Scientific Laboratory, 1. Februar 1951
  • Los Alamos Scientific Laboratory, 18. April 1952
  • Argonne National Laboratory, 2. Juni 1952
  • Oak Ridge National Laboratory, 26. Mai 1954
  • Oak Ridge National Laboratory, 1. Februar 1956
  • Los Alamos Scientific Laboratory, 3. Juli 1956
  • Los Alamos Scientific Laboratory, 12. Februar 1957
  • Mayak Produktionsvereinigung, 2. Januar 1958
  • Oak Ridge Y-12 Pflanze, 16. Juni 1958
  • Los Alamos Scientific Laboratory, 30. Dezember 1958
  • SL-1, 3. Januar 1961, 4 x 10 oder 130 Megajoule Spaltungen
  • Idaho Chemiefabrik, 25. Januar 1961
  • Los Alamos Scientific Laboratory, 11. Dezember 1962
  • Sarow, 11. März 1963
  • White Sands Missile Range, 28. Mai 1965
  • Oak Ridge National Laboratory, 30. Januar 1968
  • Chelyabinsk-70, 5. April 1968
  • Aberdeen Proving Ground, 6. September 1968
  • Mayak Produktionsvereinigung, 10. Dezember 1968
  • Kurtschatow-Instituts, 15. Februar 1971
  • Idaho Chemiefabrik, 17. Oktober 1978
  • Sowjetischen U-Boot K-431, 10. August 1985
  • Katastrophe von Tschernobyl, 26. April 1986
  • Sarow, 17. Juni 1997
  • JCO Brennstoffherstellung, 30. September 1999

Atomwaffen

Bei der Konstruktion von Kernwaffen, andererseits zeitnahes Kritikalität ist wesentlich. In der Tat ist eine der Design-Probleme in den Bau einer Bombe zu überwinden, um die spaltbares Material zusammenziehen und erreichen Aufforderung Kritikalität, bevor die Kettenreaktion hat eine Chance, um den Kern zu zwingen, zu erweitern. Eine gute Bombe Design muss deshalb das Rennen zu gewinnen, um eine dichte, schnelle kritische Kern bevor ein weniger leistungsfähigen Kettenreaktion zerlegt den Kern, ohne dass eine erhebliche Menge an Kraftstoff, die Kernspaltung. Dies bedeutet im Allgemeinen, dass Atombomben benötigen besondere Aufmerksamkeit, um die Art und Weise der Kern zusammengebaut ist, zu zahlen, wie die neuartigen Implosion Methode von Richard C. Tolman, Robert Serber und andere Wissenschaftler an der University of California, Berkeley im Jahr 1942 die Hypothese aufgestellt.

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