Kjedereaksjon (kjernefysisk)

Moderatorens temperatur påvirker verdien av temperaturkoeffisienten av at vannets utvidbarhet øker sterkt med temperaturen under driftsforhold. Dermed reduseres den absolutte verdien av temperaturkoeffisienten med temperaturen. For en verdi i størrelsesorden - 25 pcm / ° C ved nominelle forhold (304,5 ° C) (vanndilaterbarhet = - 2,21  kg / m 3 / K ), kan vi ha ved 100 ° C - 8 pcm / ° C (vann utvidbarhet = - 0,70  kg / m 3 / K ).

Moderatortrykket påvirker temperaturkoeffisienten på grunn av moderatorens svake komprimerbarhet under driftsforhold. Ettersom vann anses å være ukomprimerbart, forblir denne effekten svak. I nærheten av PWR-driftsforhold, uttrykt i pcm / bar, er den, i absolutt verdi, 11 ganger lavere enn den modererende temperaturkoeffisienten i pcm / ° C, dvs. rundt 25/11 = 2,3 pcm / bar.

Under slitasje av det fissile materialet i kjernen, reduseres antall fissile atomer, moderasjonsforholdet avtar og den modereringstemperaturkoeffisienten øker i absolutt verdi.

Vannkraftreaktorer under trykk bruker vanligvis oppløst borsyre for å kontrollere reaktivitet på lang sikt under drift, så vel som i tilfelle eller tilfeldige tilfeller. Borsyrekonsentrasjonen i en PWR- reaktor varierer mellom 0 og 2000 ppm . Den omtrentlige verdien av antireaktiviteten til en ppm (del per million) naturlig bor oppløst i klart vann er nær 12 pcm og rundt ti rundt det normale innholdet i drift. Ved romtemperatur er vannet tettere, og verdien av ppm oppløst bor er nær 15 pcm / ppm. For å overvinne grensen for oppløselighet av borsyre, brukes også borsyre beriket med bor 10 (den mest nøytronabsorberende isotopen).

Tilfelle av en PWR med egenskaper nær 900 MWe PWR

• Makroskopisk tverrsnitt av fangst i borefri moderator = Σm=0,0092544×(vs.m-1){\ displaystyle \ Sigma _ {m} = 0 {,} 009 \, 254 \, 4 \ ganger ({\ rm {cm ^ {- 1})}}}
• Makroskopisk tverrsnitt av fangst i drivstoffet =
  Σu=0,1346×(vs.m-1){\ displaystyle \ Sigma _ {u} = 0 {,} 134 \, 6 \ ganger ({\ rm {cm ^ {- 1})}}}
• Mikroskopisk tverrsnitt av naturlig bor = 763,4 fjøs
• Tetthet av vann ved nominelle forhold (t = 304,5 ° C - p = 155 bar) = 716,7 kg / m 3
• Primærvannvolum i kjernen = 15.452 m 3
• Hjertevolum = 26,571 m 3 = 26,571 × 10 6  cm 3
• Primær vannmasse = 11 073,8 kg
• Masse av naturlig bor i kjernen som tilsvarer innholdet på 1 ppm = 11 074 × 10 −6 = 11,074 g
• Atommasse av naturlig bor = 10,811 g / mol
• Volumkonsentrasjon av boratomer i kjernen for innholdet av 1 ppm = B=11,0710.811×IKKEPÅ26,571×106=2,322×1016×(påt/vs.m3){\ displaystyle B = {{\ frac {11 {,} 07} {10 {,} 811}} \ ganger N_ {A} \ over 26 {,} 571 \ ganger 10 ^ {6}} = 2 {,} 322 \ ganger 10 ^ {16} \ ganger ({\ rm {at / cm ^ {3})}}
• Makroskopisk tverrsnitt på 1 ppm naturlig bor oppløst i vann = Σb=B×σb=2,322×1016×763,4×10-24=1.772×10-5×(vs.m-1){\ displaystyle \ Sigma _ {b} = B \ times \ sigma _ {b} = 2 {,} 322 \ times 10 ^ {16} \ times 763 {,} 4 \ times 10 ^ {- 24} = 1 { ,} 772 \ ganger 10 ^ {- 5} \ ganger ({\ rm {cm ^ {- 1})}}}
• Forholdet til totale makroskopiske tverrsnitt med og uten 1 ppm bor = Σu+Σm+ΣbΣu+Σm=1+1.772×10-50,1346+0,0092544=1000123{\ displaystyle {\ Sigma _ {u} + \ Sigma _ {m} + \ Sigma _ {b} \ over \ Sigma _ {u} + \ Sigma _ {m}} = 1+ {1 {,} 772 \ ganger 10 ^ {- 5} \ over 0 {,} 134 \, 6 + 0 {,} 009 \, 254 \, 4} = 1 {,} 000 \, 123}
• Reaktivitetseffekt tilsvarende 1 ppm naturlig bor i klart vann = 100000×ln⁡(1000123)=12,3×(svs.m){\ displaystyle 100 \, 000 \ times \ ln (1 {,} 000 \, 123) = 12 {,} 3 \ times ({\ rm {pcm)}}}
• Reaktivitetseffekt tilsvarende 1 ppm naturlig bor i vann borert ved 500 ppm =
  100000×ln⁡(1+1.772×10-50,1346+0,0092544+500×1.772×10-5)=11,6×(svs.m){\ displaystyle 100 \, 000 \ times \ ln \ left (1+ {1 {,} 772 \ times 10 ^ {- 5} \ over 0 {,} 134 \, 6 + 0 {,} 009 \, 254 \ , 4 + 500 \ ganger 1 {,} 772 \ ganger 10 ^ {- 5}} \ høyre) = 11 {,} 6 \ ganger ({\ rm {pcm)}}}

Den samme beregningen utført under vanlige temperatur- og trykkforhold gir en verdi i størrelsesorden 15 pcm / ppm

Bruken av oppløst borsyre som en forbrukbar gift kan føre til en positiv effekt på reaktiviteten (utvidelsen av vannet "skyver ut av kjernen" noen av boratomene). Hvis borinnholdet er for høyt til det punktet at det overskrider den negative effekten som utvidelsen av moderatoren medfører, kan en positiv effekt observeres: dette er det som begrenser borinnholdet i den primære kretsen av reaktorer med trykkvann .

Effekten av faste forbrukbare giftstoffer avhenger av modusen som er valgt for implantasjon og egenskapene til resonansfangsten som den kan presentere.

En økning i temperatur kan føre varmeoverføringsvæsken til lokal koking. Oftest har det relative vakuumet som oppstår ved koking, en negativ (og derfor stabiliserende) effekt på reaktiviteten, og systemet stabiliserer seg deretter ved kokepunktet. Dette er imidlertid ikke tilfelle i alle konfigurasjoner; denne vakuumkoeffisienten kan føre visse typer reaktorer til ustabilitet under visse atypiske forhold (som skjedde under Tsjernobyl-katastrofen ).

Hvis moderatoren lekker (under høyt trykk og ved temperatur i tilfelle trykkvannsreaktorer), oppstår en stor og rask koking på kort sikt i kjernen (vannet erstattes av damp), er det derfor viktig at " vakuumeffekt "være negativ.

Rask bytte til reaktivitet

Hvis overskuddet av reaktivitet var veldig viktig, til det punktet at det oppnådde en rask reaktivitet, skapte den delvise fordampningen av hjertet plutselig til høy temperatur et plutselig overtrykk og en sjokkbølge som forårsaker dens forvridning: hjertet eksploderer. Energien som frigjøres ved slike eksplosjoner, avhenger delvis av hjertets motstand mot forvridning, som holder det i en kritisk tilstand lenger, og spesielt av hastigheten som reaktiviteten har økt: Det er av denne grunn at reaktorkontrollene er designet for ikke å la reaktiviteten øke raskere enn en grenseverdi satt av sikkerhet. Når det gjelder en atomreaktor, risikerer denne eksplosjonen å forårsake brudd på reaktorfartøyet og inneslutningen, som derfor må være dimensjonert for å motstå disse ekstreme ulykkene.

I en tilfeldig situasjon kan hastigheten på reaksjonsvariasjonen ikke nå den som er målrettet mot et atomvåpen  : et system som ved et uhell blir kritisk forblir i praksis nær kritikk til den akkumulerte energien er tilstrekkelig til å returnere den til ny undervurdering. Under alle omstendigheter er energien som til slutt forårsaker spredning (eller dislokasjon) av den kritiske massen som forårsakes, av størrelsesorden av energiene som er tilgjengelige i et kjemisk eksplosivstoff , mye lavere enn det som frigjøres ved en eksplosjon . Dette er mekanismen beskrevet i det første memorandumet til Frisch og Peierls , som konkluderte med at det var umulig å oppnå en atomeksplosjon fra uanriket uran:

Det følger denne første konklusjonen at betingelsene som er nødvendige for en kjernefysisk eksplosjon ble formalisert: montering av en kritisk masse som er tilstrekkelig til å oppnå en rask kritikk, uten å gå gjennom en moderator derfor med raske nøytroner, og en passeringshastighet til høyest mulig kritikk:

Atomeksplosjon

For å oppnå en atomeksplosjon må en masse spaltbart materiale veldig raskt gå over i en rask kritisk tilstand.

• For en gitt masse av fissilt materiale kan verdien av reaktiviteten k økes ved å øke tettheten: sannsynligheten for at et nøytron møter en kjerne over en gitt avstand er proporsjonalt med tettheten av materie, når tettheten av materien er økt fissil blir reaktiviteten tilsvarende økt. Det er denne metoden som brukes i implosjonsmetoden . I disse innretningene starter kjedereaksjonen etter at materialets tetthet er økt av sjokket som genereres av et konvensjonelt eksplosivstoff.
• I forsoningsmetoden bringes to underkritiske blokker raskt i kontakt. Reaktivitetsverdien til en enhet er alltid større enn for hver av dens deler, på en måte som avhenger av avstanden mellom blokkene og deres orientering. Montering av de to blokkene kan være tilstrekkelig til å bringe enheten i kritisk tilstand.
• I teorien kan kritikalitetsverdien også økes ved å sette inn en nøytronreflektor.

Når systemet utvikler seg mot den målrettede tilstanden, er det først underkritisk, deretter passerer det gjennom en rettferdig kritisk tilstand, og dets kritikk må fortsette å øke til det blir tydelig overkritisk, med nøytroner injisert. For å utløse kjedereaksjonen kl. optimal tid.

Når massen av kjernefysisk materie er i rask superkritisk tilstand og kjedereaksjonen er iverksatt, øker den spesifikke kraften som frigjøres eksponentielt. Hvis nøytronene ikke modereres, har de en levetid på omtrent 10 −7 sekunder; og hvis overflødig reaktivitet som er nådd før kjedereaksjonen er for eksempel syv prosent, øker effekten med 1,07 (t / 10 −7 ): den dobler hver milliontedels sekund. Denne plutselige kraftøkningen forvandler øyeblikkelig kjernefysisk materiale til plasma med høyt trykk, og skaper en sjokkbølge. På dette punktet, hvis forbrenningshastigheten til eksplosjonen var betydelig, reduserer forbruket av spaltbart materiale dens tetthet, men i alle fall sprer sjokkbølgen enheten. Med tetthetsfallet blir reaktiviteten negativ igjen og reaksjonen stopper.

For å lage et atomvåpen, må du bringe det fissile materialet til sin optimale superkritiske tilstand veldig raskt . Faktisk forårsaker spontan fisjon utslipp av nøytroner i det fissile materialet. Når systemet har passert den kritiske tilstanden, kan disse nøytronene når som helst utløse en kjedereaksjon, og detonere enheten før den har nådd sin optimale tilstand. Dette kalles en "pre-detonation". For at sannsynligheten for en slik pre-detonasjon skal forbli lav, må sannsynligheten for at et enkelt nøytron sendes ut mellom overgangen til den kritiske tilstanden og den optimale tilstanden være ubetydelig. For dette må maskinens utforming være slik at overgangstiden til tilstanden med maksimal reaktivitet er så kort som mulig, og man bruker spaltbare materialer som bare har en lav utslippshastighet. Spontane nøytroner.

Per kilo spaltbart materiale produserer uran 235 0,3 nøytroner per sekund, plutonium 239 produserer 22, nesten hundre ganger mer; men fremfor alt inneholder Pu-239 alltid en brøkdel av Pu-240 som produserer 920 nøytroner per gram . Det er på grunn av Pu-240 at det ikke er mulig å produsere et våpen ved forsoning ved bruk av plutonium som spaltbart materiale: tiden det tar for forsoningen er for lang til at våpenet er pålitelig. Det er også av denne grunn at nivået av plutonium 240 må være så lavt som mulig for såkalt “militær” plutonium.

Merknader og referanser

Merknader

1. Bruken av oppløst bor i tilfelle kokende reaktorer er begrenset til alvorlige tilfeldige eller utilsiktede tilfeller på grunn av risikoen for avklaring av vannet i beholderen ved borefri strømning under normal drift
2. Beregnet i artikkelen Neutron flux
3. Beregnet i artikkelen Neutron flux

Referanser

1. (in) Forbedringer i eller knyttet til transmutasjon av kjemiske elementer ,28. juni 1934( les online )
2. "  Google Patents  " på patents.google.com (åpnet 22. februar 2021 )
3. Sigvard Eklung, Oklo - En atomreaktor som opererte for 1800 millioner år siden ,1975, 4  s. (Oklo - En atomreaktor som opererte for 1800 millioner år siden)
4. I henhold til bestemmelse av forsinkede nøytronparametere og uraninnhold i en prøve , Dr. Csaba Sükösd, Budapest University of Technology and Economics
5. I henhold til Radiologisk beskyttelse og kjerneteknikk av Henri Métivier, Inc NetLibrary, National Institute of Nuclear Sciences and Techniques, s.  214 .
6. Presise on neutronics , Paul Reuss, INSTN 2003
7. Atomreaktorers fysikk Peter Baeten, SCK-CEN, Centre d'Etudes de l'Energie Nucléaire, åpnet 8. mai 2020
8. Kadmium- og bor-nøytronabsorbatorer: to effektive nøytronabsorbatorer laradioactivite.com, åpnet 8. mai 2020
9. Reaktor termisk hydraulikk , Jean-Marc Delhaye, INSTN
10. Frisch-Peierls Memorandum , "On the Construction of a" Super-bomb "based on a Nuclear Chain Reaction in Uranium" mars 1940

Se også

Interne lenker

• Kritikkulykke
• Atombombe
• Atomkraftverk
• Atomdrivstoff
• Atomisk bindingsenergi
• Kjernekraft
• Atomfisjon
• Spontan fisjon
• Nøytronstrøm
• Four Factor Formula
• Forsinket nøytronfraksjon
• Lang brann
• Kritisk masse (atomreaksjon)
• Kjernefysikk
• Spaltingsprodukt
• Kjernereaktor
• Atomreaksjon

Eksterne linker

• (en) kjedereaksjon Animasjon
• ( fr ) Brev fra Einsteins til president Roosevelt - 1939