Pela primeira vez, o efeito de agrupamento de nêutrons em reatores nucleares foi demonstrado, o que poderia melhorar a segurança do reator e criar simulações mais precisas, de acordo com um novo estudo publicado recentemente na revista Nature Communications Physics .

"O fenômeno de agrupamento de nêutrons foi teorizado por anos, mas nunca foi analisado em um reator funcionando, "disse Nicholas Thompson, engenheiro do Grupo de Tecnologia Nuclear Avançada de Los Alamos. "Os resultados indicam que, à medida que os nêutrons se dividem e criam mais nêutrons, alguns passam a formar grandes linhagens de aglomerados, enquanto outros morrem rapidamente, resultando nos chamados 'power tilts, 'ou produção de energia assimétrica. "

Compreender essas flutuações de agrupamento é especialmente importante para a segurança e a precisão da simulação, particularmente quando os reatores nucleares começam a ligar. O estudo foi uma colaboração com o Instituto de Proteção Radiológica e Segurança Nuclear (IRSN) e a Comissão de Energia Atômica (CEA), ambos localizados na França.

"Fomos capazes de modelar a vida de cada nêutron no reator nuclear, basicamente construindo uma árvore genealógica para cada um, "disse Thompson." O que vimos é que mesmo que o reator seja perfeitamente crítico, então o número de fissões de uma geração para a próxima é par, pode haver rajadas de aglomerados que se formam e outros que morrem rapidamente. "

Este fenômeno de agrupamento tornou-se importante entender por causa de um conceito estatístico conhecido como ruína do jogador, que se acredita ter sido derivado de Blaise Pascal. Em uma analogia de apostas, o conceito diz que mesmo que as chances de um jogador ganhar ou perder cada aposta individual sejam de 50 por cento, ao longo de um número suficiente de apostas, a certeza estatística de que o jogador irá à falência é de 100%.

Em reatores nucleares, De geração a geração, pode-se dizer que cada nêutron tem 50% de chance semelhante de morrer ou se fender para criar mais nêutrons. De acordo com o conceito de ruína do jogador, os nêutrons em um reator podem ter uma chance estatística de morrer completamente em alguma geração futura, mesmo que o sistema esteja em estado crítico.

Este conceito foi amplamente estudado em outros campos científicos, como biologia e epidemiologia, onde este fenômeno de agrupamento geracional também está presente. Baseando-se nesta matemática estatística relacionada, a equipe de pesquisa foi capaz de analisar se o conceito de ruína do jogador seria verdadeiro para nêutrons em reatores nucleares.

"Você esperaria que esta teoria fosse verdadeira, "diz Jesson Hutchinson, que trabalha com o Grupo de Tecnologia Nuclear Avançada do Laboratório. "Você deve ter um sistema crítico que, enquanto a população de nêutrons varia entre as gerações, corre alguma chance de se tornar subcrítico e perder todos os nêutrons. Mas não é isso que acontece. "

Para entender por que o conceito de ruína do jogador não era verdadeiro, pesquisadores usaram um reator nuclear de baixa potência localizado no Walthousen Reactor Critical Facility, em Nova York. Um reator de baixa potência era essencial para rastrear o tempo de vida de nêutrons individuais porque os reatores de grande escala podem ter trilhões de interações a qualquer momento. A equipe usou três detectores de nêutrons diferentes, incluindo o Neutron Multiplicity 3He Array Detector (NoMAD) desenvolvido em Los Alamos, para rastrear cada interação dentro do reator.

A equipe descobriu que, embora gerações de nêutrons se agrupassem em grandes árvores genealógicas e outras morressem, uma extinção completa foi evitada no pequeno reator por causa da fissão espontânea, ou a divisão nuclear não induzida de material radioativo dentro dos reatores, o que cria mais nêutrons. Esse equilíbrio de fissão e fissão espontânea evitou que a população de nêutrons morresse completamente, e também tendia a suavizar as explosões de energia criadas pelo agrupamento de nêutrons.

"Reatores nucleares de tamanho comercial não dependem apenas da população de nêutrons para atingir a criticidade, porque eles têm outras intervenções, como temperatura e configurações da haste de controle, "Hutchinson disse." Mas este teste estava interessado em responder a questões fundamentais sobre o comportamento de nêutrons em reatores, e os resultados terão um impacto na matemática que usamos para simular reatores e podem até mesmo afetar o projeto futuro e procedimentos de segurança. "