Nükleer zincir reaksiyonu -Nuclear chain reaction

Muhtemel bir nükleer fisyon zincir reaksiyonu:
1) Bir uranyum-235 atomu bir nötronu emer ve ikiye bölünür (fisyon parçaları), üç yeni nötron ve büyük miktarda bağlanma enerjisi salar .
2) Bu nötronlardan biri uranyum-238 atomu tarafından emilir ve reaksiyona devam etmez. Başka bir nötron emilmeden sistemden ayrılır. Bununla birlikte, bir nötron bir uranyum-235 atomu ile çarpışır, bu daha sonra bölünür ve iki nötron ve daha fazla bağlanma enerjisi salar.
3) Bu nötronların her ikisi de uranyum-235 atomlarıyla çarpışır, bunların her biri bölünür ve birkaç nötron salıverir, bu da daha sonra reaksiyona devam edebilir.

Nükleer fizikte , bir nükleer zincirleme reaksiyon , tek bir nükleer reaksiyon , ortalama bir veya daha fazla ardışık nükleer reaksiyona neden olduğunda meydana gelir, böylece bu reaksiyonların kendi kendine ilerleyen bir dizi olasılığına yol açar . Spesifik nükleer reaksiyon, ağır izotopların (örneğin, uranyum-235 , 235 U) bölünmesi olabilir. Bir nükleer zincir reaksiyonu, reaksiyon başına herhangi bir kimyasal reaksiyondan birkaç milyon kat daha fazla enerji açığa çıkarır .

Tarih

Kimyasal zincir reaksiyonları ilk olarak 1913'te Alman kimyager Max Bodenstein tarafından önerildi ve nükleer zincir reaksiyonları önerilmeden önce oldukça iyi anlaşılmıştı. Kimyasal patlamalarda üretilenler gibi reaksiyonlarda katlanarak artan hızlardan kimyasal zincir reaksiyonlarının sorumlu olduğu anlaşıldı.

Bir nükleer zincir reaksiyonu kavramının ilk olarak 12 Eylül 1933'te Macar bilim adamı Leó Szilárd tarafından varsayıldığı bildirildi. alfa parçacıkları ve reaksiyon tarafından sağlanan protondan çok daha fazla miktarda enerji üretildiği gerçeği. Ernest Rutherford , süreçteki verimsizliklerin enerji üretimi için kullanılmasını engellediği makalesinde yorum yaptı. Bununla birlikte, nötron , kısa bir süre önce, 1932'de James Chadwick tarafından bir nükleer reaksiyonun ürünü olarak keşfedilmişti . Mühendis ve fizikçi olarak eğitim görmüş olan Szilárd, iki nükleer deney sonucunu zihninde bir araya getirdi ve bir nükleer reaksiyon nötronlar üretiyorsa ve bu da daha sonra benzer nükleer reaksiyonlara neden oluyorsa, sürecin kendi kendini devam ettiren bir nükleer zincir olabileceğini fark etti. Protonlara veya bir hızlandırıcıya ihtiyaç duymadan kendiliğinden yeni izotoplar ve güç üreten reaksiyon. Ancak Szilárd, zincirleme reaksiyonunun mekanizması olarak fisyonu önermedi, çünkü fizyon reaksiyonu henüz keşfedilmemiş, hatta şüphelenilmemişti. Bunun yerine Szilárd, bol miktarda nötron üreten daha hafif bilinen izotopların karışımlarını kullanmayı önerdi. Ertesi yıl basit bir nükleer reaktör fikri için patent başvurusunda bulundu.

1936'da Szilárd, berilyum ve indiyum kullanarak bir zincirleme reaksiyon yaratmaya çalıştı , ancak başarısız oldu. Nükleer fisyon , Aralık 1938'de Otto Hahn ve Fritz Strassmann tarafından keşfedildi ve Ocak 1939'da Lise Meitner ve yeğeni Otto Robert Frisch tarafından teorik olarak açıklandı . Hahn ve Strassmann, Şubat 1939'da nükleer fizyonla ilgili ikinci yayınlarında ilk kez Uranspaltung (uranyum fisyonu) terimini kullandılar ve fisyon işlemi sırasında ek nötronların varlığını ve serbest kalmasını tahmin ederek bir nükleer zincir olasılığını ortaya çıkardılar. reaksiyon.

Birkaç ay sonra, Paris'te Frédéric Joliot-Curie , H. Von Halban ve L. Kowarski , uranyumda nötron çoğalmasını aradılar ve keşfettiler, bu mekanizmayla bir nükleer zincirleme reaksiyonun gerçekten mümkün olduğunu kanıtladılar.

4 Mayıs 1939'da Joliot-Curie, Halban ve Kowarski üç patent başvurusunda bulundu. Bir nükleer zincirleme reaksiyondan güç üretimini tarif eden ilk ikisi, Perfectionnement yardımcı şarjlı patlayıcılar olarak adlandırılan sonuncusu , atom bombasının ilk patentiydi ve Caisse nationale de Recherche Scientifique tarafından 445686 numaralı patent olarak dosyalandı .

Buna paralel olarak, New York'taki Szilárd ve Enrico Fermi de aynı analizi yaptılar. Bu keşif , Szilárd'ın Albert Einstein tarafından Başkan Franklin D. Roosevelt'e imzalanan ve Nazi Almanya'sının bir atom bombası yapmaya çalışıyor olabileceğine dair uyarıda bulunan mektubu harekete geçirdi .

2 Aralık 1942'de, Fermi liderliğindeki bir ekip (ve Szilárd dahil) , Stagg Field tribünlerinin altındaki raket kortunda Chicago Pile-1 (CP-1) deneysel reaktörüyle ilk yapay kendi kendini idame ettiren nükleer zincir reaksiyonunu üretti . Chicago Üniversitesi _ Fermi'nin Chicago Üniversitesi'ndeki deneyleri, Arthur H. Compton'ın Manhattan Projesi Metalurji Laboratuvarı'nın bir parçasıydı ; laboratuvarın adı daha sonra Argonne Ulusal Laboratuvarı olarak değiştirildi ve nükleer enerji için fisyondan yararlanma konusunda araştırma yapmakla görevlendirildi.

1956'da Arkansas Üniversitesi'nden Paul Kuroda , bir zamanlar doğal bir fisyon reaktörünün var olabileceğini öne sürdü. Nükleer zincir reaksiyonları yalnızca doğal malzemeler gerektirebileceğinden (uranyumda yeterli miktarda 235 U varsa su ve uranyum gibi), bu zincir reaksiyonlarının uranyum-235 konsantrasyonlarının günümüzden daha yüksek olduğu uzak geçmişte meydana gelmesi mümkündü. ve yerkabuğunda doğru malzeme kombinasyonunun olduğu yer.235
İzotopların farklı yarı ömürleri nedeniyle jeolojik geçmişte
U , dünyadaki uranyumun daha büyük bir kısmını oluşturuyordu.235
sen
ve238
U
, ilki , ikincisinden neredeyse bir kat daha hızlı bozuluyor . Kuroda'nın öngörüsü, Eylül 1972'de Gabon'daki Oklo'da geçmişte doğal olarak kendi kendini sürdüren nükleer zincir reaksiyonlarının kanıtlarının keşfiyle doğrulandı. nötron zehirlerinin yokluğunda ağır su veya yüksek saflıkta karbon (örneğin grafit) gibi nötron moderatörü , bunun doğal jeolojik süreçlerle ortaya çıkması yaklaşık iki milyar yıl önce Oklo'daki koşullardan daha olası değildir.

Fisyon zincir reaksiyonu

Fisyon zinciri reaksiyonları, nötronlar ve bölünebilir izotoplar ( 235 U gibi) arasındaki etkileşimler nedeniyle meydana gelir . Zincirleme reaksiyon, hem nükleer fisyona uğrayan bölünebilir izotoplardan nötronların salınmasını hem de bu nötronların bazılarının bölünebilir izotoplarda daha sonra emilmesini gerektirir. Bir atom nükleer fisyona uğradığında, birkaç nötron (kesin sayı kontrol edilemeyen ve ölçülemeyen faktörlere bağlıdır; beklenen sayı birkaç faktöre bağlıdır, genellikle 2,5 ile 3,0 arasındadır) reaksiyondan atılır. Bu serbest nötronlar daha sonra çevreleyen ortamla etkileşime girecek ve daha fazla bölünebilir yakıt varsa, bazıları emilebilir ve daha fazla fisyona neden olabilir. Böylece döngü, kendi kendini idame ettiren bir reaksiyon vermek için tekrar eder.

Nükleer enerji santralleri , nükleer reaksiyonların meydana gelme hızını tam olarak kontrol ederek çalışır. Öte yandan nükleer silahlar, başladıktan sonra kontrol edilemeyecek kadar hızlı ve yoğun bir reaksiyon üretmek için özel olarak tasarlanmıştır. Düzgün tasarlandığında, bu kontrolsüz reaksiyon, patlayıcı bir enerji salınımına yol açacaktır.

Nükleer fisyon yakıtı

Nükleer silahlar, patlayıcı bir zincirleme reaksiyon elde etmek için gerekli olan kritik boyut ve geometriyi ( kritik kütle ) aşan yüksek kaliteli, oldukça zenginleştirilmiş yakıt kullanır . Bir nükleer fisyon reaktöründe olduğu gibi, enerji amaçlı yakıt çok farklıdır ve genellikle düşük oranda zenginleştirilmiş bir oksit malzemeden (örn. UO2 ) oluşur . Nükleer reaktörlerin içindeki fisyon reaksiyonları için kullanılan iki birincil izotop vardır. İlk ve en yaygın olanı U-235 veya uranyum-235'tir. Bu, uranyumun bölünebilir izotopudur ve doğal olarak bulunan tüm uranyumun yaklaşık %0,7'sini oluşturur. Var olan az miktarda uranyum-235 nedeniyle, dünyadaki kaya oluşumlarında bulunmasına rağmen yenilenemez bir enerji kaynağı olarak kabul edilir. U-235, enerji üretimi için temel formunda yakıt olarak kullanılamaz. Bileşik UO2 veya uranyum dioksit üretmek için arıtma olarak bilinen bir süreçten geçmelidir . Uranyum dioksit daha sonra preslenir ve daha sonra yakıt çubuklarına yerleştirilebilen seramik topaklara dönüştürülür. Bu, bileşik uranyum dioksitin nükleer enerji üretimi için kullanılabileceği zamandır. Nükleer fisyonda kullanılan ikinci en yaygın izotop Pu-239 veya plütonyum-239'dur. Bunun nedeni, yavaş nötron etkileşimi ile bölünebilir hale gelme yeteneğidir. Bu izotop, U-238'in radyoaktif U-235 izotopu tarafından salınan nötronlara maruz bırakılmasıyla nükleer reaktörlerin içinde oluşturulur. Bu nötron yakalama, U-238'in Pu-239'a dönüşmesini sağlayan beta parçacığı bozulmasına neden olur. Plütonyum bir zamanlar yer kabuğunda doğal olarak bulundu, ancak geriye sadece eser miktarda kaldı. Enerji üretimi için büyük miktarlarda erişilebilir olmasının tek yolu, nötron yakalama yöntemidir. Nükleer reaktörler için önerilen ve 2021 itibarıyla ticari bir rolü olmayan bir başka yakıt da,233
Neredeyse %100'ü Toryum-232 izotopundan oluşan doğal toryumdan nötron yakalama ve müteakip beta bozunmaları ile "yetiştirilen" U. Buna Toryum yakıt döngüsü denir .

Zenginleştirme Süreci

Doğal konsantrasyonundaki bölünebilir izotop uranyum-235, nükleer reaktörlerin büyük çoğunluğu için uygun değildir. Enerji üretiminde yakıt olarak kullanıma hazır hale getirilebilmesi için zenginleştirilmesi gerekmektedir. Zenginleştirme işlemi plütonyum için geçerli değildir. Reaktör dereceli plütonyum, iki farklı uranyum izotopu arasındaki nötron etkileşiminin bir yan ürünü olarak oluşturulur. Uranyum zenginleştirmenin ilk adımı, uranyum oksidin (uranyum öğütme işlemiyle oluşturulan) gaz haline dönüştürülmesiyle başlar. Bu gaz, hidrojen florür, flor gazı ve uranyum oksidin birleştirilmesiyle oluşturulan uranyum hekzaflorür olarak bilinir. Bu süreçte uranyum dioksit de bulunur ve zenginleştirilmiş yakıt gerektirmeyen reaktörlerde kullanılmak üzere gönderilir. Geriye kalan uranyum hekzaflorür bileşiği, katılaştığı güçlü metal silindirlere boşaltılır. Bir sonraki adım, uranyum hekzaflorürü, arta kalan tükenmiş U-235'ten ayırmaktır. Bu tipik olarak, uranyum izotoplarındaki %1'lik kütle farkının kendilerini ayırmasına izin verecek kadar hızlı dönen santrifüjlerle yapılır. Daha sonra hekzaflorür bileşiğini zenginleştirmek için bir lazer kullanılır. Son adım, şu anda zenginleştirilmiş olan bileşiğin yeniden uranyum okside dönüştürülmesini içerir ve geriye nihai ürün olan zenginleştirilmiş uranyum oksit kalır. UO 2'nin bu formu artık enerji üretmek için enerji santrallerinin içindeki fisyon reaktörlerinde kullanılabilir.

Fisyon reaksiyon ürünleri

Bölünebilir bir atom nükleer fisyona uğradığında, iki veya daha fazla fisyon parçasına ayrılır. Ayrıca, birkaç serbest nötron, gama ışını ve nötrino yayılır ve büyük miktarda enerji açığa çıkar. Fisyon parçalarının ve fırlatılan nötronların durağan kütlelerinin toplamı, orijinal atomun ve gelen nötronun durağan kütlelerinin toplamından daha azdır (elbette fisyon parçaları durağan değildir). Kütle farkı, E=Δmc 2 denklemine göre enerji salınımında açıklanır :

salınan enerjinin kütlesi =

Işık hızının son derece büyük değeri nedeniyle, kütledeki küçük bir azalma, muazzam bir aktif enerji salınımı ile ilişkilidir (örneğin, fisyon parçalarının kinetik enerjisi). Bu enerji (radyasyon ve ısı şeklinde) reaksiyon sisteminden çıktığında eksik kütleyi taşır (toplam kütle, toplam enerji gibi her zaman korunur ). Tipik kimyasal reaksiyonlar birkaç eV mertebesinde enerji açığa çıkarırken (örneğin, elektronun hidrojene bağlanma enerjisi 13.6 eV'dir), nükleer fisyon reaksiyonları tipik olarak yüz milyonlarca eV mertebesinde enerji salar.

Serbest bırakılan ortalama enerji değerleri ve fırlatılan nötron sayısı ile iki tipik fisyon reaksiyonu aşağıda gösterilmiştir:

Bu denklemlerin yavaş hareket eden (termal) nötronların neden olduğu fisyonlar için olduğuna dikkat edin. Serbest bırakılan ortalama enerji ve fırlatılan nötron sayısı, gelen nötron hızının bir fonksiyonudur. Ayrıca, bu denklemlerin nötrinolardan gelen enerjiyi hariç tuttuğuna dikkat edin, çünkü bu atom altı parçacıklar son derece reaktif değildir ve bu nedenle enerjilerini nadiren sistemde depolarlar.

Nükleer zincir reaksiyonlarının zaman ölçekleri

Hızlı nötron ömrü

Ani nötron ömrü l , nötronların emisyonu ile sistem içinde absorpsiyonu veya sistemden kaçışı arasındaki ortalama süredir. Doğrudan fisyondan meydana gelen nötronlara " hızlı nötronlar ", fisyon parçalarının radyoaktif bozunması sonucu oluşanlara da " gecikmiş nötronlar " denir. Ömür terimi, bir nötronun emisyonunun genellikle onun "doğumu" olarak kabul edilmesi ve sonraki absorpsiyonun "ölümü" olarak kabul edilmesi nedeniyle kullanılır. Termal (yavaş nötron) fisyon reaktörleri için tipik ani nötron ömrü 10 -4 saniye mertebesindedir ve hızlı fisyon reaktörleri için ani nötron ömrü 10 -7 saniye mertebesindedir. Bu son derece kısa ömürler, 1 saniyede 10.000 ila 10.000.000 nötron ömrünün geçebileceği anlamına gelir. Ortalama ( eşleşik ağırlıksız olarak da adlandırılır ) ani nötron ömrü, reaktör çekirdeğindeki önemlerine bakılmaksızın tüm ani nötronları hesaba katar; etkili ani nötron ömrü ( uzay, enerji ve açı üzerinde ağırlıklandırılmış eşlenik olarak anılır ), ortalama öneme sahip bir nötronu ifade eder.

Ortalama üretim süresi

Ortalama üretim süresi , Λ, bir nötron emisyonundan fisyonla sonuçlanan bir yakalamaya kadar geçen ortalama süredir. Ortalama üretim süresi, anlık nötron ömründen farklıdır, çünkü ortalama üretim süresi yalnızca fisyon reaksiyonlarına yol açan nötron absorpsiyonlarını içerir (diğer absorpsiyon reaksiyonlarını değil). İki zaman aşağıdaki formülle ilişkilidir:

Bu formülde k, aşağıda açıklanan etkili nötron çoğalma faktörüdür.

Etkili nötron çarpım faktörü

Altı faktör formülü etkin nötron çarpım faktörü, k , bir fisyondan başka bir fisyona neden olan nötronların ortalama sayısıdır. Kalan nötronlar ya fisyon olmayan reaksiyonlarda emilirler ya da emilmeden sistemden ayrılırlar. k'nin değeri, bir nükleer zincirleme reaksiyonun nasıl ilerlediğini belirler:

  • k < 1 ( kritik altı ): Sistem bir zincirleme reaksiyonu sürdüremez ve herhangi bir zincirleme reaksiyon başlangıcı zamanla ölür. Sistemde indüklenen her fisyon için, ortalama toplam 1/(1 -  k ) fisyon meydana gelir. Önerilen kritik altı reaktörler , harici bir nötron kaynağı tarafından sürdürülen bir nükleer reaksiyonun, nötron kaynağı çıkarıldığında "kapatılabileceği" gerçeğinden yararlanır. Bu, belirli bir derecede doğal güvenlik sağlar .
  • k = 1 ( kritiklik ): Her fisyon, ortalama bir fisyona daha neden olur ve sabit bir fisyon (ve güç) düzeyine yol açar. Nükleer santraller , güç seviyesi artırılmadığı veya azaltılmadığı sürece k = 1 ile çalışır.
  • k > 1 ( süperkritiklik ): Malzemedeki her fisyon için, bir sonraki ortalama üretim zamanından (Λ) sonra " k " fisyon olması muhtemeldir . Sonuç, t'nin geçen süre olduğu denkleme göre fisyon reaksiyonlarının sayısının katlanarak artmasıdır . Nükleer silahlar bu durumda çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Süper kritikliğin iki alt bölümü vardır: hızlı ve gecikmeli.

Nükleer reaktörlerin kinetiğini ve dinamiklerini tanımlarken ve ayrıca reaktör çalışması uygulamasında, reaktörün kritik durumdan sapmasını karakterize eden reaktivite kavramı kullanılır: ρ = ( k  - 1)/ k . InHour ( bir saatin tersi , bazen ih veya inhr olarak kısaltılır) bir nükleer reaktörün reaktivite birimidir.

Bir nükleer reaktörde k , birincil olarak termal etkiler nedeniyle 1'den biraz daha azdan 1'den biraz daha fazla salınım yapacaktır (daha fazla güç üretildikçe, yakıt çubukları ısınır ve böylece genişler, yakalama oranlarını düşürür ve böylece k'yi daha da düşürür . ). Bu, k'nin ortalama değerini tam olarak 1'de bırakır. Gecikmeli nötronlar, bu salınımların zamanlamasında önemli bir rol oynar.

Sonsuz bir ortamda, çarpma faktörü dört faktör formülü ile tanımlanabilir ; sonsuz olmayan bir ortamda çarpma faktörü, altı faktör formülü ile tanımlanabilir.

Hızlı ve gecikmeli süperkritiklik

Tüm nötronlar, fisyonun doğrudan bir ürünü olarak yayılmaz; bazıları bunun yerine bazı fisyon parçalarının radyoaktif bozunmasından kaynaklanmaktadır. Doğrudan fisyondan meydana gelen nötronlara "hızlı nötronlar", fisyon parçalarının radyoaktif bozunması sonucu oluşanlara da "gecikmeli nötronlar" denir. Gecikmeli nötron fraksiyonu β olarak adlandırılır ve bu fraksiyon tipik olarak zincirleme reaksiyondaki tüm nötronların %1'inden azdır.

Gecikmeli nötronlar, bir nükleer reaktörün birkaç kat daha yavaş yanıt vermesine, sadece ani nötronların tek başına vereceğinden daha yavaş yanıt vermesine izin verir. Gecikmiş nötronlar olmadan, nükleer reaktörlerdeki reaksiyon oranlarındaki değişiklikler, insanların kontrol edemeyeceği kadar yüksek hızlarda meydana gelirdi.

k = 1 ve k = 1/(1 - β) arasındaki süperkritiklik bölgesi, gecikmiş süperkritiklik (veya gecikmiş kritiklik ) olarak bilinir . Tüm nükleer güç reaktörlerinin faaliyet gösterdiği bölge bu bölgedir. k > 1/(1 - β) için süperkritiklik bölgesi, nükleer silahların faaliyet gösterdiği bölge olan ani süperkritiklik (veya ani kritiklik ) olarak bilinir .

Kritikten hızlı kritike geçmek için gereken k'deki değişiklik bir dolar olarak tanımlanır .

Nötron çoğaltmanın nükleer silah uygulaması

Nükleer fisyon silahları, ani süperkritik olan bir parça bölünebilir yakıt kütlesi gerektirir.

Belirli bir bölünebilir malzeme kütlesi için , yoğunluk artırılarak k değeri artırılabilir. Bir nötronun bir çekirdekle çarpışması için kat edilen mesafe başına olasılık, malzeme yoğunluğuyla orantılı olduğundan, bölünebilir bir malzemenin yoğunluğunu artırmak, k'yi artırabilir . Bu kavram, nükleer silahlar için patlama yönteminde kullanılır. Bu cihazlarda, nükleer zincirleme reaksiyon, bölünebilir malzemenin yoğunluğunu geleneksel bir patlayıcı ile arttırdıktan sonra başlar.

Tabanca tipi fisyon silahında , iki kritik altı yakıt parçası hızla bir araya getirilir. İki kütlenin birleşimi için k'nin değeri , bileşenlerinden her zaman daha büyüktür. Farkın büyüklüğü mesafeye olduğu kadar fiziksel yönelime de bağlıdır.

Bölünebilir malzemeyi çevreleyen bir nötron reflektörü kullanılarak k değeri de artırılabilir.

Yakıt kütlesi ani süperkritik olduğunda, güç katlanarak artar. Ancak, kalan fisyon malzemesi miktarı azaldığında (yani fisyonlar tarafından tüketildiğinde) k azaldığı için üstel güç artışı uzun süre devam edemez. Ayrıca patlama sırasında kalan fisyon malzemesi parçalanarak parçalandığı için geometri ve yoğunluğun patlama sırasında değişmesi beklenir.

Ön patlatma

İki kritik altı malzeme parçası yeterince hızlı bir araya getirilmezse, beklenenden daha küçük bir patlamanın malzemenin büyük kısmını parçalayacağı nükleer ön patlama meydana gelebilir. Fizzle'a bakın (nükleer test)

Bir nükleer silahın patlatılması, bölünebilir malzemenin çok hızlı bir şekilde optimum süperkritik durumuna getirilmesini içerir. Bu işlemin bir kısmında montaj süperkritiktir, ancak henüz bir zincirleme reaksiyon için en uygun durumda değildir. Özellikle kendiliğinden fisyonlardan kaynaklanan serbest nötronlar, cihazın, ön patlama olarak bilinen büyük bir patlama üretmeye hazır olmadan önce bölünebilir malzemeyi yok eden bir ön zincirleme reaksiyona girmesine neden olabilir .

Ön patlama olasılığını düşük tutmak için, optimum olmayan montaj süresinin süresi en aza indirilir ve kendiliğinden fisyon oranları düşük olan bölünebilir ve diğer malzemeler kullanılır. Aslında, malzemelerin kombinasyonu, süperkritik montaj periyodu sırasında tek bir spontan fisyon olması ihtimalini azaltacak şekilde olmalıdır. Özellikle, tabanca yöntemi plütonyum ile kullanılamaz (bkz . Nükleer silah tasarımı ).

Nükleer santraller ve zincirleme reaksiyonların kontrolü

Zincirleme reaksiyonlar doğal olarak katlanarak büyüyen (veya küçülen) reaksiyon hızlarına yol açarken, bir nükleer güç reaktörünün reaksiyon hızını makul ölçüde sabit tutabilmesi gerekir. Bu kontrolü sürdürmek için, zincirleme reaksiyon kritikliği, ilave etkilerle (örneğin, mekanik kontrol çubukları veya termal genleşme) müdahaleye izin verecek kadar yavaş bir zaman ölçeğine sahip olmalıdır. Sonuç olarak, tüm nükleer güç reaktörleri ( hızlı nötron reaktörleri bile ) kritiklikleri için gecikmiş nötronlara güvenir. Çalışan bir nükleer güç reaktörü, biraz kritik altı ile biraz gecikmeli süper kritik arasında gidip gelir, ancak her zaman acil kritik seviyesinin altında kalmalıdır.

Bir nükleer santralin, bir nükleer silahla karşılaştırılabilir bir güç patlamasıyla sonuçlanan bir nükleer zincirleme reaksiyona girmesi imkansızdır, ancak kontrolsüz zincirleme reaksiyonlar nedeniyle düşük güçlü patlamalar bile (bu, bir bombada "patlama" olarak kabul edilir) yine de bir reaktörde önemli hasara ve erimeye neden olabilir. Örneğin, Çernobil felaketi , kontrolden çıkmış bir zincirleme reaksiyon içeriyordu, ancak sonuç, bir bombaya kıyasla nispeten küçük bir ısı salınımından kaynaklanan düşük güçlü bir buhar patlamasıydı. Bununla birlikte, reaktör kompleksi, havaya maruz kalan grafitin normal yanmasıyla olduğu kadar ısıyla da yok edildi. Bu tür buhar patlamaları , en kötü koşullar altında bile, bir nükleer reaktördeki malzemelerin çok dağınık montajı için tipik olacaktır .

Ayrıca güvenlik için başka adımlar da atılabilir. Örneğin, Amerika Birleşik Devletleri'nde lisanslı enerji santralleri, negatif bir boşluk reaktivite katsayısı gerektirir (bu , reaktör çekirdeğinden soğutucu çıkarılırsa , nükleer reaksiyonun artmayacağı, kapanma eğiliminde olacağı anlamına gelir). Bu, Çernobil'de meydana gelen kaza türü olasılığını ortadan kaldırır (pozitif geçersizlik katsayısı nedeniyle). Bununla birlikte, nükleer reaktörler, Fukushima Daiichi nükleer felaketinde olduğu gibi, tamamen kapatıldıktan sonra bile hala daha küçük patlamalara neden olabilir . Bu gibi durumlarda, zincirleme reaksiyon kapatıldıktan bir gün sonra bile soğutma sıvısı akışında kayıp olursa çekirdekten gelen artık bozunma ısısı yüksek sıcaklıklara neden olabilir (bkz. SCRAM ). Bu, su ile yakıt arasında, havayla karıştırıldıktan sonra patlayabilen ve yakıt çubuğu malzemesi bu süreçten atmosfere maruz kalabileceğinden, ciddi kirlenme sonuçları olan hidrojen gazı üreten yakıt arasında kimyasal bir reaksiyona neden olabilir. Bununla birlikte, bu tür patlamalar bir zincirleme reaksiyon sırasında değil , fisyon zincir reaksiyonu durdurulduktan sonra radyoaktif beta bozunmasından gelen enerjinin bir sonucu olarak meydana gelir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar