Por primera vez, se ha demostrado el efecto de agrupación de neutrones teorizado desde hace mucho tiempo en los reactores nucleares, que podría mejorar la seguridad del reactor y crear simulaciones más precisas, según un nuevo estudio publicado recientemente en la revista Física de las comunicaciones de la naturaleza .
"El fenómeno de la agrupación de neutrones se había teorizado durante años, pero nunca se había analizado en un reactor en funcionamiento", dijo Nicholas Thompson, ingeniero del Grupo de Tecnología Nuclear Avanzada de Los Alamos. "Los hallazgos indican que, como la fisión de neutronesy crean más neutrones, algunos pasan a formar grandes linajes de cúmulos, mientras que otros mueren rápidamente, lo que resulta en las llamadas 'inclinaciones de poder' o producción de energía asimétrica ".
Comprender estas fluctuaciones de agrupamiento es especialmente importante para la seguridad y la precisión de la simulación, especialmente cuando los reactores nucleares comienzan a encenderse. El estudio fue una colaboración con el Instituto de Protección Radiológica y Seguridad Nuclear IRSN y la Comisión de Energía Atómica CEA, ambos ubicados en Francia.
"Pudimos modelar la vida de cada neutrón en el reactor nuclear, básicamente construyendo un árbol genealógico para cada uno", dijo Thompson. "Lo que vimos es que incluso si el reactor es perfectamente crítico, entonces el número de fisiones deuna generación a la siguiente es uniforme, puede haber ráfagas de grupos que se forman y otros que mueren rápidamente ".
Este fenómeno de agrupamiento se volvió importante de entender debido a un concepto estadístico conocido como la ruina del jugador, que se cree que derivó de Blaise Pascal. En una analogía de apuestas, el concepto dice que incluso si las posibilidades de que un jugador gane o pierda a cada individuoapuesta son del 50 por ciento, en el transcurso de suficientes apuestas, la certeza estadística de que el jugador irá a la quiebra es del 100 por ciento.
En los reactores nucleares, de generación en generación, se puede decir que cada neutrón tiene una probabilidad similar del 50 por ciento de morir o fisionarse para crear más neutrones. Según el concepto de ruina del jugador, los neutrones en un reactor podrían tener una probabilidad estadísticade morir por completo en alguna generación futura, a pesar de que el sistema es crítico.
Este concepto se había estudiado ampliamente en otros campos científicos, como la biología y la epidemiología, donde también está presente este fenómeno de agrupamiento generacional. Basándose en esta matemática estadística relacionada, el equipo de investigación pudo analizar si el concepto de ruina del jugador se mantendríacierto para los neutrones en los reactores nucleares.
"Es de esperar que esta teoría sea cierta", dice Jesson Hutchinson, que trabaja con el Grupo de Tecnología Nuclear Avanzada del Laboratorio. "Debería tener un sistema crítico que, si bien la población de neutrones varía entre generaciones, tiene alguna posibilidad de convertirse ensubcrítico y perdiendo todos los neutrones. Pero eso no es lo que sucede ".
Para entender por qué el concepto de ruina del jugador no era cierto, los investigadores utilizaron un reactor nuclear de baja potencia ubicado en la Instalación Crítica del Reactor Walthousen en Nueva York. Un reactor de baja potencia era esencial para rastrear la vida útil de neutrones individuales debido a su gran tamañoLos reactores a escala pueden tener billones de interacciones en cualquier momento. El equipo utilizó tres detectores de neutrones diferentes, incluido el Detector de matriz de 3He de multiplicidad de neutrones NoMAD desarrollado por Los Alamos, para rastrear cada interacción dentro del reactor.
El equipo descubrió que si bien generaciones de neutrones se agrupaban en grandes árboles genealógicos y otros se extinguían, se evitaba una extinción completa en el pequeño reactor debido a la fisión espontánea o la división nuclear no inducida del material radiactivo dentro de los reactores.lo que crea más neutrones. Ese equilibrio de fisión y fisión espontánea impidió que la población de neutrones se extinguiera por completo, y también tendió a suavizar las explosiones de energía creadas por la agrupación de neutrones.
"Los reactores nucleares de tamaño comercial no dependen únicamente de la población de neutrones para alcanzar la criticidad, porque tienen otras intervenciones como la temperatura y la configuración de las barras de control", dijo Hutchinson. "Pero esta prueba estaba interesada en responder preguntas fundamentales sobre el comportamiento de los neutronesen reactores, y los resultados tendrán un impacto en las matemáticas que utilizamos para simular reactores e incluso podrían afectar el diseño futuro y los procedimientos de seguridad ".
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