Warum bildet Kernbrennstoff im Verlauf einer Kernschmelze keine kritische Masse?

Wenn Sie die Wikipedia-Seite über Corium lesen , heißt es, dass eine kritische Masse lokal erreicht werden kann.

Aber wenn Sie sich Sorgen über eine kritische Masse machen, die eine nukleare Explosion erlaubt, besteht die Schwierigkeit beim Design von Atomwaffen, wie hier gesagt , darin, die Kritikalität schnell genug zu erreichen. Wenn Sie die Kritikalität nicht schnell genug erreichen, erwärmt sich Ihr Material und seine Wechselwirkung mit Neutronen nimmt ab, wodurch die Kettenreaktion verlangsamt wird. Und das mit reinem ²³⁵U. Was also im Grunde passiert, wenn in einem schmelzenden Kernreaktor Kritikalität auftritt, ist die Freisetzung von viel Wärme und Strahlung, aber nicht auf explosive Weise wie bei einer Atombombe.

Die wahrscheinliche Antwort ist, dass man zur Herstellung einer Bombe ein ganz besonderes Design und sehr reines U235 in einer Kugel braucht. Selbst wenn sich also bei einer Kernschmelze eine kritische Masse bildet, hat ein Reaktor nicht die Geometrie und Reinheit für eine Atombombe. Keine Pilze.

Aber es kann sich weiter erhitzen und als Reaktor fungieren, und das Problem besteht darin, die Wärme abzuleiten, ohne Dampf und Wasserstoff aufzubauen, um eine chemische Explosion zu vermeiden.

Ein Nuklearingenieur sollte beantworten, ob das Amalgam aller Metalle keine Kritikalität zulässt. Ihre Pläne, die geschmolzenen Reaktoren zuerst zu kühlen und sie dann in Sand und Zement einzuhüllen, würden implizieren, dass sie nicht erwarten, dass der geschmolzene Kern kritisch ist. Die Tatsache, dass der Reaktor mit den eingesetzten Steuerstäben nicht länger kritisch ist, sondern nur noch Restradioaktivität aufweist, spricht aus der Massenerhaltung dafür, dass selbst in der Schmelze, wenn die Metalle gemischt werden, dasselbe gilt.

Eine der oft beantworteten Fragen lautet: „Warum werden Kernschmelzen nicht überkritisch?“ dh. „Warum erzeugen sie keine Atomexplosion?“ Ein gutes Verständnis dafür, warum dies nicht der Fall ist, bietet einen guten Rahmen, um zu verstehen, warum Corium nicht kritisch sein sollte und warum subkritisch ziemlich schlecht sein kann.

Die kritische Masse ist eher eine Beschreibung des Neutronenflusses als die tatsächliche Masse des Materials. Vielleicht wäre ein besserer Begriff kritische Konzentration, aber ich denke, „kritische Masse“ klingt besser; nicht wahr? In der überkritischen Masse kann der Brennstoff als Moderator und Neutronengenerator wirken. Die Spaltung erzeugt hauptsächlich schnelle Neutronen, die mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht von Brennstoffkernen absorbiert werden, aber wenn Sie genügend Brennstoffkerne haben, wird dieses Problem umgangen. Einige Kerne absorbieren schnelle Neutronen und geben langsame Neutronen und Gammastrahlen ab. Einige der ersten Reaktordesigns waren Aufschlämmungsreaktoren, in denen fein gemahlener Moderator und Brennstoff miteinander vermischt wurden. Ich nehme an, wenn ein Schlammreaktor schmilzt, wäre das Corium kritisch. Moderne Reaktoren verwenden Brennstäbe und sowohl feste als auch flüssige Moderatoren.

Der Brennstoff in den Stäben hat sowohl einen internen als auch einen Oberflächen-Neutronenfluss. Der perfekte Kernreaktor hätte einen Oberflächenfluss, bei dem alle schnellen Neutronen, die aus dem Brennstab austreten, als langsame Neutronen zurückgeworfen würden. Dadurch würde der Kraftstoff am effizientesten „verbrennen“. Durch Anordnen der Brennstäbe und Moderatoren in einer optimalen Konfiguration wird der dem perfekten Fluss am nächsten kommende erreicht. Wenn Sie den Moderator entfernen, ist der Brennstoff an sich nicht kritisch. Wenn Sie die Anordnung ändern, sollte der Kraftstoff auch unterkritisch werden. Wenn nicht die Tatsache wäre, dass viel mehr Brennstoff für die minimale kritische Konfiguration vorhanden ist, wäre es statistisch so unwahrscheinlich, dass es sogar lokale Bereiche mit kritischem Fluss gibt, dass es wirklich unmöglich wäre. Bei dem Überfluss an Brennstoff ist es nur höchst unwahrscheinlich, dass sich im Corium-Blob eine lokale Slurry-Reaktorzone bilden könnte.

Unterkritischer Neutronenfluss bedeutet nicht, dass die Spaltung aufgehört hat; es bedeutet nur, dass die Spaltung schließlich auf das Niveau sinken wird, das nur mit spontaner Spaltung erwartet wird. Je nachdem, wie unterkritisch der Reaktor ist, kann dies eine Weile dauern.

Aber es hat eine kritische Masse. Sonst würde es nicht kritisch werden.

Was Sie in einem gut konstruierten Leistungsreaktor vermeiden, ist die „schnelle“ Kritikalität, bei der ein aktiver Kern nur bei schnellen Neutronen überkritisch wird. Normalerweise ist ein kritischer Reaktor auf einem Bruchteil von prompten Neutronen (Neutronen, die im Moment der Spaltung freigesetzt werden) und verzögerten Neutronen (Neutronen, die im Durchschnitt mehrere Sekunden nach dem einfallenden Neutron freigesetzt werden) stabil. Dies ist für den Betrieb eines Leistungsreaktors von grundlegender Bedeutung, da es dem Steuersystem ermöglicht, den Neutronenfluss zu steuern.

Ein Reaktor, der nur bei schnellen Neutronen überkritisch wird, wird seine Leistung mit einer Rate erhöhen, die nur durch die Spaltungsrate gesteuert wird, und in Bruchteilen einer Sekunde auf eine sehr hohe Leistung ansteigen. So funktioniert eine Atomwaffe.

Ein Reaktor, der bei verzögerten Neutronen überkritisch wird, erhöht die Leistung viel langsamer und kann gesteuert werden.

Mehrere Dinge sind erforderlich, um eine nukleare Explosion zu verursachen. Es geht nicht nur um Masse ... In Bezug auf eine Kernschmelze ist vielleicht Wärme das eigentliche Problem, da sie den Abstand zwischen Atomen erweitert und dies den Zielquerschnitt für ein Neutron verringert, wodurch der mittlere Neutronenpfad verlängert wird.

Andere Probleme sind die Isotopenreinheit der spaltbaren Masse ... Auch Verunreinigungen durch Zerfallsprodukte wie Xenon 135. Bei einer Kernschmelze wie beispielsweise in Tschernobyl gab es vor der Dampf-/Wasserstoffexplosion, die Sicherheitsgebäude zerstörte, eine sehr hohe Xenonvergiftung.

Die Geometrie einer kritischen Masse ist eine weitere Überlegung, aber angesichts der beiden obigen Punkte ist die Geometrie, sobald es zu heiß und kontaminiert ist, die geringste Überlegung.

Die Kompression der kritischen Masse ist eine andere und dies hängt mit Wärme zusammen. Wenn die Masse fest zusammengedrückt oder gefroren wäre, wäre die Wahrscheinlichkeit einer Explosion höher. In einem Atomsprengkopf erhöht zu viel Alpha-Aktivität die Temperatur und verschlechtert die Bombe. Bei Hitze in einer Reaktorschmelze gibt es praktisch keine Kompression.

Ein effektiver Reflektor würde die Wahrscheinlichkeit einer nuklearen Explosion erhöhen, aber Kernreaktoren sind normalerweise nicht so konfiguriert, dass sie Neutronen zurück in den Haufen reflektieren. In jedem Fall wird bei einer Kernschmelze der Sicherheitsbehälter normalerweise zerrissen.

Selbst wenn Sie all dies irgendwie überwunden haben, muss immer noch ein ausreichender Neutronenfluss vorhanden sein, und dies ist absolut unwahrscheinlich. In Bezug auf den Neutronenfluss muss sichergestellt werden, dass 35-40 % der Neutronen nicht aus der Masse entweichen, um eine Explosion zu erreichen.

Ein thermischer Reaktor benötigt einen Moderator, um sich in einem kritischen Zustand zu befinden. Ein SWR (und ein PWR) verwenden Wasser$H_2O$als Moderator. Andere thermische Reaktoren verwenden Graphit – der alte N-Reaktor in Hanford – oder schweres Wasser$D_2O$- die CANDU und die alten Savannah River Produktionsreaktoren - als Moderator. Wenn der Kern schmilzt und zu einer Masse zusammensackt$UO_2$, Ummantelungsmetall und Steuerstabmaterialien befindet sich Brennstoff/Wasser nicht länger in einer kritischen Konfiguration; Das Wasser befindet sich oben und wirkt als Reflektor, der nicht mit dem Kraftstoff vermischt ist.

Ein schneller Reaktor benötigt keinen kritischen Moderator. Der Brennstoff ist höher angereichert als der eines thermischen Reaktors, da der Spaltquerschnitt bei höheren Neutronenenergien geringer ist. Es ist möglich, dass eine geschmolzene Masse eines schnellen Reaktorbrennstoffs kritisch wird und zu einer geringfügigen nuklearen Exkursion führt (im Reaktorjargon als "Arbeitsenergie" -Freisetzung bezeichnet).

Das Sicherheitsproblem für Reaktoren besteht darin, die Nachzerfallswärme abzuführen; die Energie, die beim radioaktiven Zerfall von Radionukliden freigesetzt wird, die beim Spaltungsprozess während des Betriebs entstehen. Beim Abschalten beträgt die Zerfallswärme etwa 5 % der vollen Leistung; das sind 150 MW für einen 3000-MW-Reaktor (thermische Leistung), ein beachtliches Niveau.

Ein Atomreaktor kann nicht wie eine Atomwaffe explodieren. Für einen thermischen Reaktor ist die Lebensdauer der sofortigen Neutronenerzeugung zu lang. Für einen schnellen Reaktor (und einen thermischen Reaktor) gibt es keinen Mechanismus zum Erzeugen und Aufrechterhalten einer superschnellen kritischen Anordnung, die ausreichend lang ist, um eine signifikante Freisetzung von Energie aus der Spaltung zu erreichen. Sie müssen wirklich hart arbeiten, um das richtige Material für die Herstellung einer Atomwaffe zusammenzustellen. Sie müssen ein System schaffen, das mit schnellen Neutronen superschnell kritisch ist und so lange bleibt, dass die Kettenreaktion genug Energie erzeugt, bevor der Druck die Zerlegung in eine nicht kritische Konfiguration verursacht. Mit superschnell kritisch ist superkritisch nur bei den schnellen Neutronen gemeint, ohne dass auf den Beitrag der verzögerten Neutronen gewartet werden muss. Im Betrieb sind Reaktoren kritisch, aber nicht unmittelbar kritisch;

Meine Vermutung wäre, dass der Moderator (normalerweise das Wasser, Graphit hätte bereits den Unfall verursacht haben) fehlt und der in einer verdichteten Masse noch lebenswichtig ist. Das Uranoxid ist nicht auf militärische Qualität angereichert, aber ich kann nicht für MOx-Elemente sprechen.

Sollte ohne einige anständige Zahlen über übrig gebliebenes UO_2, Masse, frühere Verteilung schwer zu sagen sein.

Ich bezweifle ernsthaft, dass ein realistischer Reaktor zu jedem Zeitpunkt 146 TONNEN Uran enthalten wird.

Selbst wenn dies der Fall wäre, wäre es so verteilt, dass die Entstehung einer überkritischen Masse (dh einer Masse, die zu einer nuklearen Explosion führt) ausgeschlossen wäre.

Natürlich wird jeder betriebsbereite Reaktor kritisch sein, wenn er nicht wäre, gäbe es keine Kettenreaktion, keine anhaltende Spaltungsreaktion, keine Energieabgabe.

Wenn der Druckbehälter lange genug eine kritische Masse für das Abendessen enthalten würde, könnte er wie eine Atombombe boomen, aber es ist wahrscheinlicher, dass er vorher die Eindämmung sprengt und an Masse verliert

Es geht um eine sich selbst verstärkende Reaktion, die sich schnell selbst aufbaut, wenn sie alle Fähigkeit verlieren, die Reaktion zu moderieren. Eine kritische Masse könnte viel schneller erreicht werden, aber es kommt immer noch darauf an, dass die Eindämmung im letzten Moment intakt ist, unwahrscheinlich, aber einige Befürworter haben sich zu Wort gemeldet über diese entfernte Möglichkeit

Japan war diesem Ergebnis nahe. Sie hatten eine zischende Explosion, die mehr oder weniger eine schmutzige Bombe war, wenn ihre Eindämmung stärker gewesen wäre, hätten sie wahrscheinlich eine Atombombe von einiger Größe gehabt