Was ist Neutronenlebenszyklus – Definition

Der Neutronenlebenszyklus quantifiziert die wichtigsten neutronenphysikalischen Prozesse , die im  Kernreaktor ablaufen . Im Reaktor werden Neutronen als schnelle Neutronen produziert und die meisten von ihnen werden nach der Thermalisierung absorbiert. Es gibt sechs Prozesse (Faktoren)  , die die inhärente Multiplikationsfähigkeit des Systems beschreiben. Vier davon sind völlig unabhängig von der Größe und Form des Reaktors. Dies sind:

• Schnelle Spaltung . Der Fast-Fission-Prozess ist im Multiplikationsfaktor durch den Fast-Fission-Faktor ε gekennzeichnet , der die schnelle Neutronenpopulation in einer Neutronengeneration erhöht. Der Faktor der schnellen Spaltung ist definiert als das Verhältnis der schnellen Neutronen, die durch Spaltungen bei allen Energien erzeugt werden, zur Anzahl der schnellen Neutronen, die bei der thermischen Spaltung erzeugt werden.
• Resonance Escape . Die durch p symbolisierte Resonanzaustrittswahrscheinlichkeit ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutron zu thermischer Energie abgebremst wird und der Resonanzerfassung entgeht . Diese Wahrscheinlichkeit ist definiert als das Verhältnis der Anzahl der Neutronen, die thermische Energie erreichen, zur Anzahl der schnellen Neutronen, die sich zu verlangsamen beginnen.
• Thermische Verwertung . Der thermische Nutzungsfaktor f ist der Anteil der thermischen Neutronen , die im Kernbrennstoff absorbiert werden , in allen Isotopen des Kernbrennstoffs. Es beschreibt, wie effektiv (wie gut genutzt) thermische Neutronen im Brennstoff absorbiert werden. Der Wert des thermischen Nutzungsfaktors ergibt sich aus dem Verhältnis der Anzahl der im Brennstoff absorbierten thermischen Neutronen (alle Nuklide) zur Anzahl der thermischen Neutronen, die in dem gesamten Material, aus dem der Kern besteht, absorbiert sind .
• Fortpflanzung . Die Anzahl der in der neuen Generation erzeugten Neutronen wird durch den Neutronenreproduktionsfaktor bestimmt . Der Reproduktionsfaktor η ist definiert als das Verhältnis der Anzahl der durch thermische Spaltung erzeugten schnellen Neutronen zur Anzahl der im Brennstoff absorbierten thermischen Neutronen .

Diese Prozesse des Neutronenlebenszyklus, von ihren Faktoren quantifiziert werden , bilden den unendlichen Multiplikationsfaktor (k _∞ ), die mathematisch durch folgende Gleichung in Bezug auf diesen Faktoren ausgedrückt werden kann, in der Regel bekannt als die vier Faktor Formel :

k _∞  = η.ε.pf

Der effektive Multiplikationsfaktor ( k _eff ) kann mathematisch ausgedrückt werden durch den unendlichen Multiplikationsfaktor (k _∞ ) und zwei zusätzliche Faktoren, die den Neutronenverlust während der Neutronenthermisierung ( schnelle Nichtleckwahrscheinlichkeit ) und den Neutronenverlust während der Neutronendiffusion ( thermisch ) erklären Nichtleckwahrscheinlichkeit ) durch folgende Gleichung, die üblicherweise als Sechs-Faktoren-Formel bezeichnet wird :

k _eff = k _∞ . P _f . P _t

• Schnelle, leckagefreie Wahrscheinlichkeit . Während des Verlangsamungsprozesses entweichen einige der Neutronen aus den Grenzen des Reaktorkerns, bevor sie thermisch werden . Dieser Prozess und seine Auswirkung auf den effektiven Multiplikationsfaktor ist durch den schnellen Nichtleckfaktor P _{f gekennzeichnet} , der als das Verhältnis der Anzahl schneller Neutronen definiert ist, die während des Verlangsamungsprozesses nicht aus dem Reaktorkern in den entweichen Anzahl schneller Neutronen, die durch Spaltungen bei allen Energien erzeugt werden.
• Thermische Nichtleckwahrscheinlichkeit . Während der Neutronendiffusion entweichen einige der Neutronen aus den Grenzen des Reaktorkerns, bevor sie absorbiert werden. Dieser Prozess und seine Auswirkung auf den effektiven Multiplikationsfaktor ist durch den thermischen Nichtleckfaktor P _{t gekennzeichnet} , der als das Verhältnis der Anzahl der thermischen Neutronen definiert ist, die während des Neutronendiffusionsprozesses nicht aus dem Reaktorkern in den entweichen Anzahl der Neutronen, die thermische Energien erreichen.

In der Reaktorphysik ist k _eff  der bedeutendste Parameter in Bezug auf die Reaktorsteuerung. Bei jedem spezifischen Leistungspegel oder Zustand des Reaktors wird k _eff  so nahe wie möglich am Wert von 1,0 gehalten . Zu diesem Zeitpunkt wird das Neutronengleichgewicht auf genau ein Neutron eingestellt, das den Lebenszyklus für jedes im Kraftstoff absorbierte ursprüngliche Neutron abschließt.

Neutronenlebenszyklus in schnellen Reaktoren

Die Methode zur Berechnung von Multiplikationsfaktoren wurde in den frühen Jahren der Kernenergie entwickelt und ist nur auf thermische Reaktoren anwendbar , bei denen der Großteil der Spaltreaktionen bei thermischen Energien stattfindet. Diese Methode stellt alle Prozesse, die mit den thermischen Reaktoren verbunden sind (z. B. die Neutronenthermisierung, die Neutronendiffusion oder die schnelle Spaltung), gut in den Kontext, da die wichtigsten neutronenphysikalischen Prozesse in Energiebereichen ablaufen , die klar voneinander getrennt werden können voneinander . Kurz gesagt, die Berechnung des Multiplikationsfaktors gibt einen guten Einblick in die Prozesse, die in jedem thermischen Multiplikationssystem ablaufen.

Für schnelle Reaktoren , in denen die Spaltung durch Neutronen mit einer sehr breiten Energieverteilung verursacht wird, ist eine solche Analyse ungeeignet. Der Neutronenfluss in schnellen Reaktoren muss in viele Energiegruppen unterteilt werden . Darüber hinaus ist in schnellen Reaktoren die Neutronenthermisierung ein unerwünschter Prozess, und daher macht die Vier-Faktor-Formel keinen Sinn. Die Resonanzfluchtwahrscheinlichkeit ist nicht signifikant, da bei Energien, bei denen die Resonanzabsorption signifikant ist, nur sehr wenige Neutronen existieren. Die thermische Nichtleckwahrscheinlichkeit besteht nicht, da der Reaktor so ausgelegt ist, dass die Thermalisierung von Neutronen vermieden wird.