Các thí nghiệm 'Quan trọng' tăng cường an toàn hạt nhân, an ninh và hiệu quả

Anonim

Tập trung trong một phòng điều khiển sâu trong sa mạc Nevada, một nhóm các nhà nghiên cứu từ các phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore và Los Alamos đã theo dõi các màn hình an toàn như một lớp plutonium được xếp chồng cẩn thận về phía "quan trọng" - điểm mà tại đó vật liệu phân hạch có thể duy trì chuỗi hạt nhân phản ứng. Phải mất năm năm lập kế hoạch, tính toán và thí nghiệm chuẩn bị, nhưng họ đã thực hiện thành công thí nghiệm quan trọng đầu tiên được thiết kế LLNL trong 40 năm.

Thử nghiệm là một trong một loạt nhằm mục đích giúp đảm bảo hoạt động plutonium tiếp tục được tiến hành một cách an toàn. Công việc này quan trọng đối với nhiệm vụ đánh giá tính an toàn, an ninh và hiệu quả của kho dự trữ hạt nhân của Hoa Kỳ mà không cần thử nghiệm.

Đã có hàng chục nghìn cấu hình quan trọng được đo lường trong 70 năm qua, nhưng chỉ một tập con nhỏ được coi là "chất lượng điểm chuẩn" (dữ liệu có thể được đánh giá chống lại) bởi cộng đồng an toàn quan trọng hạt nhân. Dữ liệu chính xác hơn củng cố mã an toàn, các nhà nghiên cứu tự tin hơn có trong mã của họ dự đoán khi một hội đồng sẽ trở nên quan trọng.

"Toàn bộ mục tiêu của việc này là cải thiện sự an toàn", Catherine Percher, một kỹ sư hạt nhân tại LLNL dẫn đầu loạt thử nghiệm cho biết. “Khi sức mạnh tính toán tăng lên, cộng đồng an toàn quan trọng ngày càng phụ thuộc vào các mã vận chuyển bức xạ để đặt ra các giới hạn an toàn cho các hoạt động của chúng tôi. trường hợp, có những khoảng trống trong dữ liệu điểm chuẩn của chúng tôi đối với một số vật liệu và phạm vi năng lượng.Ví dụ, chúng tôi có rất ít thí nghiệm quan trọng bao gồm tantali như là một 'vật liệu pha loãng'. Do đó, nếu chúng ta muốn thực hiện một hoạt động hạt nhân với tantali, chúng ta không có các thí nghiệm chuẩn để xác nhận các mô hình máy tính của chúng ta, vì vậy chúng ta phải xây dựng lợi nhuận lớn hơn để đảm bảo chúng ta không tiến gần đến điểm quan trọng. Những lợi nhuận đó làm tăng chi phí và có thể khiến một chiến dịch bị đánh lừa. "

Tạo một chiếc giường thử nghiệm plutonium

Khi phân hạch nguyên tử plutonium (tách rời), các neutron tự do được phát ra. Nếu đủ plutoni được đóng gói lại với nhau - một "khối lượng tới hạn" - những neutron này có thể bắt đầu một phản ứng dây chuyền hạt nhân. Percher mô tả các neutron này là "nhanh chóng sinh ra" trong phân hạch, có nghĩa là chúng có năng lượng động cao khi bước đầu phát ra. Nhưng khi chúng tỏa ra và tương tác với các vật liệu khác, chúng va chạm với các nguyên tử khác và làm chậm lại.

Các neutron có khả năng gây ra sự phân hạch ở bất kỳ năng lượng nào, nhưng xác suất thay đổi đáng kể dựa trên lượng năng lượng mà nơtron vẫn có. Các neutron nhanh (liên quan đến vũ khí) và các neutron chậm (liên quan đến các lò phản ứng) được nghiên cứu và hiểu rõ. Mặt khác, sự không chắc chắn đáng kể tồn tại thông qua dải năng lượng trung gian, được đặc trưng bởi những gì Percher gọi là "cộng hưởng". Xác suất mà một nơtron sẽ gây ra sự phân hạch nhảy lên xuống một cách đáng kể và rải rác qua vùng đó. Tạo ra các thí nghiệm có rất nhiều sự kiện xảy ra trong khu vực này là sự quan tâm đặc biệt đối với Percher và nhóm của cô ấy.

Percher nói: "Chúng tôi có một cuốn sách chuẩn với khoảng 5.000 thí nghiệm để xác nhận mã của chúng tôi". "Chỉ có 2% trong số những thí nghiệm đó nằm trong vùng năng lượng trung gian. Chúng tôi đang cố gắng giải quyết các nhu cầu thực sự trong chương trình an toàn quan trọng."

Để lấp đầy những khoảng trống này, nhóm nghiên cứu đang tạo ra năm hội đồng trọng điểm plutonium chính xác cao, trải rộng trên một loạt các phổ năng lượng phân hạch bằng cách thay đổi lượng polyethylene giữa mỗi lớp plutonium. Những hội đồng này cũng được thiết kế để trở thành một giường thử nghiệm cho các vật liệu phi plutoni khác có thể pha loãng những gì có thể là một khối lượng quan trọng của plutonium. Tantalum, ví dụ, đã được xác định bởi các cộng đồng dữ liệu hạt nhân và an toàn quan trọng quốc tế khi cần dữ liệu điểm chuẩn. Để khám phá vật liệu pha loãng này, các tấm tantali sẽ được chèn vào giữa các lớp plutonium và polyethylene trong ngăn xếp trong mỗi năm cấu hình để xác định hiệu ứng của nó trên mức độ nghiêm trọng.

Tiến hành thử nghiệm an toàn an toàn

Rất nhiều nỗ lực đi vào đảm bảo các thí nghiệm quan trọng như thế này không vô tình dẫn đến một phản ứng dây chuyền runaway. Không giống như các thí nghiệm phụ dưới thủy động lực học sử dụng vật liệu nổ cao để nhanh chóng kích hoạt một khối lượng nhỏ dưới mức plutonium, những thí nghiệm quan trọng này là tĩnh, được thiết kế để tăng thêm lượng plutonium vừa đủ để lắp ráp trong một khoảng thời gian gần như không đạt tới điểm chính xác.

Nhóm nghiên cứu bắt đầu bằng cách lắp ráp một lượng plutonium mà họ chắc chắn sẽ là dưới mức tới hạn. Các tấm plutonium được xếp chồng lên nhau trên các khay nhôm, được thiết kế để phân tán nhiệt - plutonium tự nhiên ấm khi chạm vào do phân rã phóng xạ. Các tấm polyethylene được chèn vào giữa các lớp plutonium, được thiết kế để tương tác với các nơtron khi chúng được phát ra, chủ yếu làm chậm chúng xuống và điều chỉnh chúng thành mức năng lượng mong muốn. Nhóm nghiên cứu đã bắt đầu với một lớp plutoni và lấy một tỷ lệ đếm neutron. Sau đó, họ bổ sung thêm các lớp plutonium bổ sung, lấy tỷ lệ đếm neutron mỗi lần, cho đến khi dân số neutron trong hội đồng đạt đến mức yêu cầu lắp ráp từ xa.

Tại thời điểm đó, các nhà nghiên cứu đã di chuyển plutoni và polyethylene lên một thiết bị thí nghiệm chuyên dụng gọi là máy nâng dọc hành tinh. Máy nâng dọc tách ngăn xếp thử nghiệm thành hai ngăn xếp con, với nền tảng cố định ở trên cùng và một nền tảng di chuyển bằng máy ở phía dưới. Nhóm nghiên cứu quay trở lại phòng điều khiển, từ từ nâng nửa dưới của ngăn xếp lên để tiếp xúc với đỉnh và lấy số lượng neutron. Sau đó, họ hạ thấp nền tảng đáy, thêm một lớp plutoni khác vào lắp ráp và thực hiện một phép đo khác. Với những điểm dữ liệu này, chúng có thể ngoại suy có bao nhiêu lớp plutoni sẽ được yêu cầu để lắp ráp trở nên quan trọng. Với mỗi khay đã được thêm vào lắp ráp, nhóm nghiên cứu đã đo đạc, vẽ dữ liệu và phân tích cốt truyện để xác định xem họ có còn đang đi đúng hướng với dự đoán của họ hay không. Tất cả đã nói, phải mất năm khay để đạt được những gì Percher mô tả như là một chuẩn mực gần hoàn hảo.

Percher nói: "Chúng tôi đã đúng lúc quan trọng, và chúng tôi giữ nó trong một giờ." "Thật ngạc nhiên khi thấy sự gia tăng liên tục, chậm chạp của dân số neutron. Nếu chúng ta có quá nhiều khối lượng, chúng ta sẽ phải điều chỉnh nó trong các mô hình của chúng ta. Nhưng chúng ta đạt được một điểm chuẩn gần như hoàn hảo."

Tiêu chuẩn này đã đạt được với sự hỗ trợ hoạt động từ các cộng tác viên Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos và tài trợ từ Chương trình an toàn hạt nhân về an ninh hạt nhân của Cơ quan An ninh hạt nhân quốc gia. Nhóm nghiên cứu đã tổ chức một cuộc họp thứ hai sau hai ngày, và kế hoạch thử nghiệm đã lên kế hoạch thực hiện tổng cộng 10 cấu hình quan trọng vào cuối tháng 3 năm 2018. Sau khi hoàn thành, nhóm dự định xuất bản dữ liệu hạt nhân mà họ thu thập trong các tài liệu mở .

menu
menu