Wie sind thermische Kernreaktoren für kosmische Strahlung im Weltraum ausgelegt?

Reaktoren sind im Allgemeinen so abgestimmt, dass der Anteil verzögerter Neutronen (in der Größenordnung von Sekunden bis Minuten nach jeder Spaltung) von allen Neutronen ausreicht, um den Reaktor dynamisch mehr oder weniger stabil zu machen. (Insbesondere die innerhalb von Nanosekunden freigesetzten sofortigen Neutronen, die mehr als 95 % aller Neutronen ausmachen, reichen nicht aus, um den verbrauchten Neutronen zu entsprechen, daher sind die verzögerten Neutronen unerlässlich, um die Reaktion über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten.) Es dauert einige Zeit, bis die verzögert-kritische Kettenreaktion beschleunigt oder verlangsamt wird, genug Zeit, damit die Steuerelemente automatisch reagieren. Wenn es also einen größeren Fluss kosmischer Strahlung gibt, der mehr Neutronen abschlägt, passiert nichts Besonderes: Die Steuertrommeln verschieben ihre Position wie gewohnt, um dies auszugleichen, und die Reaktion wird im gleichen Tempo fortgesetzt. Angesichts des normalerweise sehr großen Neutronenflusses im Kern würde es eines enormen Anstiegs kosmischer Strahlung bedürfen, um einen ausreichenden Anstieg zu verursachen, damit der Reaktor prompt-kritisch, dh explosiv wird.

Darüber hinaus ist eines der bestimmenden Merkmale der meisten Teilchen der kosmischen Strahlung, dass sie einzeln sehr energiereich sind. Das macht sie ziemlich gefährlich für Lebewesen, aber weil die Gesamtenergie auf weniger Teilchen verteilt wird, weniger gefährlich für Reaktoren. Ein bestimmter GCR kann eine Kaskade mehrerer Teilchen auslösen und ihre Energie zwischen ihnen verteilen, aber die Wahrscheinlichkeit, dies auf eine Weise zu tun, die die maximale Anzahl von Neutronen mit genügend Energie erzeugt, um eine Spaltung auszulösen, ist gering.

( Es gibt keine Neutronen-GCRs; freie Neutronen haben eine Halbwertszeit von etwa 15 Minuten .)

Ein paar Dinge:

Das für kosmische Strahlen bereitgestellte Referenz-OP besagt:

Zusammensetzung der kosmischen Strahlung: Die kosmische Strahlung umfasst im Wesentlichen alle Elemente des Periodensystems; etwa 89 % der Kerne sind Wasserstoff (Protonen), 10 % Helium und etwa 1 % schwerere Elemente.

Dies impliziert, dass Neutronen kein wesentlicher Bestandteil der kosmischen Strahlung sind. Da die Spaltung durch Neutronenabsorption angetrieben wird, ist es unwahrscheinlich, dass die Reaktorsteuerung durch Nicht-Neutronenstrahlung beeinflusst wird.

Auch über die Spaltung durch schnelle Neutronen OP heißt es:

Ich habe keine Referenz für Uran gefunden, aber ich nehme an, es muss ähnlich sein.

Es ist nicht.

Eine Suche nach „Neutronenabsorptionsquerschnitt“ liefert detailliertere Erklärungen, aber im Grunde hängt die Wahrscheinlichkeit einer Neutronenabsorption stark von der Energie des Neutrons ab, und bei Uran verursachen Neutronen mit NIEDRIGER Energie viel wahrscheinlicher eine Spaltung. Diese Neutronen werden thermische Neutronen oder langsame Neutronen genannt.

Apropos langsame Neutronen:

Mehrere Steuertrommeln, die sich im Reflektorbereich um den Reaktorkern befinden, regulieren die Neutronenpopulation und den Reaktorleistungspegel

Diese Reflektoren halten Neutronen IN, anstatt einen Schutz vor externen Neutronen zu bieten. Durch Spaltung entstandene Neutronen werden schnell geboren. Wenn sie langsamer werden, bevor sie den Kern verlassen, verursachen sie wahrscheinlich eine Spaltung. Wenn sie nicht langsamer werden, treten sie aus dem Kern aus und verursachen keine Spaltung. Neutronenreflektoren ermöglichen es dem System, diese Leckrate zu kontrollieren: Wenn die Leckrate zu hoch ist, werden mehr Neutronen zurück in den Kern reflektiert, damit sie eine zweite Chance haben, eine Spaltung zu verursachen. Wenn die Leckrate zu niedrig ist, werden weniger Neutronen zurück in den Kern reflektiert.

Im Allgemeinen erfolgt die Steuerung dieser Leckrate zur Steuerung der Kerntemperatur: Der Reaktor bleibt konstruktionsbedingt kritisch (stationärer Zustand), da eine Änderung der Leistung eine Temperaturänderung verursacht, die eine physikalische Reaktion wie thermische Ausdehnung / Kontraktion zur Änderung der Leckrate verursacht, was bedeutet das System kehrt selbst in den stationären Zustand zurück. Aber der neue stationäre Zustand hat möglicherweise nicht die optimale Temperatur, daher stellt eine Bedienungsperson die Reflektoren/Absorber im System so ein, dass das System bei der von ihr gewünschten Temperatur in den stationären Zustand zurückkehrt.

Wie Nathan betont, bedeutet dies, dass das System dynamisch stabil ist. Wenn die kosmische Strahlung einige thermische Neutronen erzeugt, bleibt das System im stationären Zustand, solange die Neutronenproduktionsrate im Vergleich zu anderen Quellen thermischer Neutronen niedrig / konstant ist.

Der durch kosmische Strahlung erzeugte Neutronenfluss wäre gering und würde die Steuerung des Reaktors im Hinblick auf die Neutronenökonomie tatsächlich etwas erleichtern. Je mehr nicht-prompte Neutronen an einem Reaktor beteiligt sind, desto weiter kann man sich von der prompten Kritikalität entfernen und gleichzeitig die Reaktion aufrechterhalten, was die Sicherheit erleichtert. Dieser geringfügige Vorteil würde durch das Risiko eines Ausfalls der Elektronik aufgrund von kosmischer Strahlung aufgewogen.

Spallation durch hochenergetische Protonen wird üblicherweise verwendet, um Neutronen zu erzeugen. Dieses Papier ( http://www.iaea.org/inis/collection/NCLCollectionStore/_Public/23/015/23015552.pdf ) enthält ein praktisches Diagramm der Protonenenergie im Vergleich zur Anzahl der Neutronen, die auf einem Wolfram-Target erzeugt werden. Es ist fast linear, mit etwa 20 Neutronen pro GeV. Dies variiert je nach Ziel etwas.

Die meisten kosmischen Strahlen sind Protonen um 1 GeV. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_ray ). Kosmische Strahlung mit höherer Energie existiert, aber oberhalb von 1 GeV fällt der Fluss sehr schnell ab, sodass kosmische Strahlung mit höherer Energie nur einen vernachlässigbaren Anteil an der Gesamtenergie hat. Lassen Sie uns also den Fluss der kosmischen Strahlung als 10 ^ 4 1-GeV-Protonen pro Quadratmeter pro Sekunde annähern. Nehmen wir an, Ihr Weltraumreaktor ist groß genug, um von 10^5 kosmischen Strahlen pro Sekunde getroffen zu werden, die jeweils durchschnittlich 20 Neutronen erzeugen.

Jedes Neutron verursacht alle 10 ^ -4 Sekunden zusätzliche ~ 0,5 Spaltungen (weil Ihr Reaktor thermisch und verzögert kritisch ist). Jede Spaltung hat etwa 200 MeV, also ist jedes Neutron alle 10^-4 Sekunden oder 10^6 MeV/s 100 MeV wert.

Endgültige Berechnung: 10^5 Protonen/s * 20 Neutronen/Proton * 10^6MeV/s/Neutron = 2*10^12 MeV/s^2 = 0,32 Watt/s. Aufgrund der kosmischen Strahlung würde sich der Reaktorleistungspegel also um ungefähr 0,32 Watt / s erhöhen, es sei denn, Sie würden die Steuerstäbe zum Ausgleich leicht absenken (und sich somit etwas weiter von der Prompt-Kritikalität entfernen, was gut für die Sicherheit ist).

Wenn der Fluss der kosmischen Strahlung um das Milliardenfache ansteigt, weil man zu nahe an eine Supernova heranfliegt, könnte das ausreichen, um eine Kernschmelze zu verursachen, aber in diesem Szenario ist die Kernschmelze wahrscheinlich das geringste Ihrer Probleme.