Un dòlar és una unitat de reactivitat per a un reactor nuclear, calibrada a l'interval entre les condicions de criticalitat i criticalitat immediata. La criticalitat immediata provocarà un augment de potència extremadament ràpid, amb la consegüent destrucció del reactor, tret que estigui dissenyat específicament per tolerar la condició. Un cèntim és de dòlar. En les discussions sobre física de reactors nuclears, els símbols sovint s'afegeixen al final del valor numèric de la reactivitat, com ara 3,48$ o 21 ¢.J. Dugone (November 1965). "SPERT III Reactor Facility: E-Core Revision".

La reactivitat (denotada com a ρ o ΔK/K) està relacionada amb el factor de multiplicació de neutrons efectiu (keff), el nombre mitjà de tots els neutrons d'una fissió que causen una altra fissió.

ρ =

Però en física nuclear, és útil parlar de la reactivitat que contribueixen només els neutrons immediats. Aquesta és la reactivitat en dòlars o cèntims.

La reactivitat en el seu sentit més general no es mesuraria en dòlars ni cèntims. La raó és que keff mesura el valor total de la reactivitat, una suma de la reactivitat tant dels neutrons ràpids com dels retardats. Tanmateix, la reactivitat en dòlars depèn de la fracció de neutrons retardats (βeff).

Reactivitat en dòlars =

Reactivitat en cèntims = 100 x ( )

Quan certs components o paràmetres canvien la reactivitat d'un reactor nuclear, els canvis es poden calcular com el seu valor de reactivitat. Tant una barra de control com un verí de reactor químic tenen un valor de reactivitat negatiu, mentre que l'addició d'un moderador de neutrons generalment tindria un valor de reactivitat positiu. El valor de reactivitat es pot mesurar en dòlars o cèntims. Durant el disseny i les proves d'un reactor nuclear, cada component s'examinarà per determinar el seu valor de reactivitat, sovint a diferents temperatures, pressions i altures de les barres de control. Per exemple, la crema de verins de reactor és important per a la vida útil del nucli del reactor, ja que el seu valor de reactivitat disminueix a mesura que el nucli envelleix.

Reactivitat en general La reactivitat (ρ) és adimensional, però es pot modificar per fer-la menys feixuga. Com que la reactivitat sovint és un nombre petit, es pot denotar en percentatge, és a dir, %ΔK/K. Per tant, una reactivitat de 0,02 ΔK/K es reportaria com a 2 %ΔK/K. Un reactor nuclear amb una reactivitat del 2% és supercrític. Un signe negatiu indicaria que és subcrític.

El percentatge de mil·lèsimes (pcm) s'utilitza per a mesures de reactivitat encara més precises, que equivalen a una mil·lèsima part d'un percentatge. De la mateixa manera, una InHour (hora inversa) és una altra petita mesura de reactivitat que té en compte el temps de multiplicació.

Les versions sense unitats, pcm, percentual i basada en el temps invers de la reactivitat es poden convertir a dòlars amb la fórmula anterior i l'equació InHour. A partir d'aquí, es pot calcular la velocitat d'arrencada (SUR), el període del reactor i el temps de duplicació del reactor.Reactor Period Nuclear-power.com

Significat i ús Cada fissió nuclear produeix diversos neutrons que poden ser absorbits, escapar del reactor o causar més fissions en una reacció nuclear en cadena . Quan una mitjana d'un neutró de cada fissió provoca una altra fissió, el reactor és "crític" i la reacció en cadena es produeix a un nivell de potència constant. Si afegiu reactivitat en aquest punt, el reactor serà supercrític, mentre que si resteu reactivitat, el fareu subcrític.

La majoria dels neutrons produïts en la fissió són "ràpids", és a dir, es creen amb els productes de fissió en menys d'uns 10 nanosegons (una "sacsejada" de temps), però certs productes de fissió produeixen neutrons addicionals quan es desintegren fins a diversos minuts després de la seva creació per fissió. Aquests neutrons d'alliberament retardat, una petita fracció del total, són clau per a un control estable del reactor nuclear. Sense neutrons retardats, un reactor que fos gairebé supercrític presentaria un problema de control significatiu, ja que la potència del reactor augmentaria exponencialment en escales de temps de mil·lisegons o fins i tot microsegons, massa ràpid per ser controlat amb la tecnologia actual o del futur proper.

Un augment de potència tan ràpid també es pot produir en un reactor real quan la reacció en cadena es manté sense l'ajuda dels neutrons retardats. Suposem que la fracció de neutrons retardats per a un reactor concret és del 0,00700, o del 0,700%. Suposem també que el reactor és altament supercrític i ΔK/K és del 0,00700.

Reactivitat en dòlars = = = 1$

Si l'excés de reactivitat d'un reactor és d'1 dòlar (1$) o més, el reactor és crític immediat. Els neutrons immediats són tan nombrosos que la producció de neutrons retardats ja no és necessària per mantenir la reacció. A 1$ o per sobre, la reacció en cadena es produeix sense ells, i la potència del reactor augmenta tan ràpidament que cap mecanisme de control convencional no la pot aturar. Un reactor en aquest estat produirà una excursió del reactor i podria tenir un accident de reactor.

Un exemple extrem d'una reacció crítica ràpida és una arma nuclear que explota, on es fa un esforç de disseny considerable per mantenir el nucli restringit en un estat crític ràpid durant el màxim temps possible fins que el percentatge més gran possible de material s'hagi fisionat.Hugh C. Paxton: A History of Critical Experiments at Pajarito Site. Los Alamos Document LA-9685-H , 1983.

Els reactors SPERT van estudiar reactors propers al punt crític immediat per respondre preguntes sobre la física del reactor d'aigua a pressió i reactors d'aigua bullent durant el funcionament supercrític.J. Dugone (November 1965). "SPERT III Reactor Facility: E-Core Revision". Als reactors SPERT, la reactivitat es podia afegir mitjançant una inserció gradual programada (addició gradual de reactivitat) o expulsant una vareta de control transitòria per la part inferior del nucli (addició gradual de reactivitat).

Per definició, una reactivitat de zero dòlars està a punt de ser critica utilitzant neutrons ràpids i retardats. Una reactivitat inferior a zero dòlars és subcrítica; el nivell de potència disminuirà exponencialment i no es produirà una reacció en cadena sostinguda. Un dòlar es defineix com el llindar entre la criticalitat retardada i la ràpida. A la criticalitat ràpida, de mitjana cada fissió causarà exactament una fissió addicional a través de neutrons ràpids, i els neutrons retardats augmentaran la potència. Qualsevol reactivitat superior a 1$ és supercrítica i la potència augmentarà exponencialment, però entre 0$ i 1$ l'augment de potència serà prou lent per ser controlat amb seguretat amb propietats mecàniques i intrínseques del material (moviments de les barres de control, densitat del refrigerant, propietats del moderador, formació de vapor) perquè la reacció en cadena depèn en part dels neutrons retardats. Per tant, un reactor de potència que funciona en estat estacionari (potència constant) tindrà una reactivitat mitjana de 0$, amb petites fluctuacions per sobre i per sota d'aquest valor.

La reactivitat també es pot expressar en termes relatius, com ara "5 centaus per sobre del valor crític immediat".

Tot i que els reactors de potència es dissenyen i operen acuradament per evitar la criticitat immediata en totes les circumstàncies, molts reactors petits de recerca o de "potència zero" es dissenyen per ser col·locats intencionadament en criticitat immediata (superior a 1$) amb total seguretat retirant ràpidament les seves barres de control. Els seus elements combustibles estan dissenyats de manera que, a mesura que s'escalfen, la reactivitat es redueix automàticament i ràpidament a través d'efectes com l'eixamplament Doppler i l'expansió tèrmica. Aquests reactors es poden "pulsar" a nivells de potència molt alts (per exemple, diversos GW) durant uns mil·lisegons, després dels quals la reactivitat baixa automàticament a 0$ i es manté un nivell de potència relativament baix i constant (per exemple, diversos centenars de kW) fins que s'apaga manualment reinserint les barres de control.

Els reactors subcrítics, que fins ara només s'han construït a escala de laboratori, funcionarien constantment amb "dòlars negatius" (molt probablement uns quants cèntims per sota del crític [endarrerit]) amb els neutrons "faltants" proporcionats per una font de neutrons externa, per exemple, l'espalació impulsada per un accelerador de partícules en un reactor subcrític impulsat per un accelerador.

Referències

Categoria:Reactors nuclears