Per la prima volta, è stato dimostrato l'effetto a lungo teorizzato di clustering di neutroni nei reattori nucleari, che potrebbe migliorare la sicurezza del reattore e creare simulazioni più accurate, secondo un nuovo studio recentemente pubblicato sulla rivista Fisica delle comunicazioni naturali .

"Il fenomeno dell'ammasso di neutroni era stato teorizzato per anni, ma non era mai stato analizzato in un reattore funzionante, " ha detto Nicholas Thompson, un ingegnere del Los Alamos Advanced Nuclear Technology Group. "I risultati indicano che, come fissione di neutroni e creare più neutroni, alcuni continuano a formare grandi lignaggi di gruppi mentre altri muoiono rapidamente, con conseguente 'power tilt', ' o produzione di energia asimmetrica."

La comprensione di queste fluttuazioni di clustering è particolarmente importante per la sicurezza e l'accuratezza della simulazione, soprattutto quando i reattori nucleari iniziano ad accendersi. Lo studio è stato realizzato in collaborazione con l'Istituto per la protezione radiologica e la sicurezza nucleare (IRSN) e la Commissione per l'energia atomica (CEA), entrambi situati in Francia.

"Siamo stati in grado di modellare la vita di ogni neutrone nel reattore nucleare, fondamentalmente costruendo un albero genealogico per ciascuno, " ha detto Thompson. "Quello che abbiamo visto è che anche se il reattore è perfettamente critico, quindi il numero di fissioni da una generazione all'altra è pari, possono esserci esplosioni di grappoli che si formano e altri che muoiono rapidamente."

Questo fenomeno di raggruppamento è diventato importante da comprendere a causa di un concetto statistico noto come rovina del giocatore d'azzardo, creduto di essere stato derivato da Blaise Pascal. In un'analogia con le scommesse, il concetto dice che anche se le probabilità che un giocatore vinca o perda ogni singola scommessa sono del 50 percento, nel corso di un numero sufficiente di scommesse, la certezza statistica che il giocatore andrà in bancarotta è del 100%.

Nei reattori nucleari, di generazione in generazione, si può dire che ogni neutrone ha una probabilità simile del 50% di morire o fissione per creare più neutroni. Secondo il concetto di rovina del giocatore d'azzardo, i neutroni in un reattore potrebbero quindi avere una probabilità statistica di estinguersi completamente in qualche generazione futura, anche se il sistema è critico.

Questo concetto era stato ampiamente studiato in altri campi scientifici, come la biologia e l'epidemiologia, dove è presente anche questo fenomeno di clustering generazionale. Attingendo a questa matematica statistica correlata, il team di ricerca è stato in grado di analizzare se il concetto di rovina del giocatore d'azzardo sarebbe stato vero per i neutroni nei reattori nucleari.

"Ti aspetteresti che questa teoria sia vera, "dice Jesson Hutchinson, che lavora con il gruppo di tecnologia nucleare avanzata del laboratorio. "Dovresti avere un sistema critico che, mentre la popolazione di neutroni varia tra le generazioni, corre qualche possibilità di diventare subcritico e perdere tutti i neutroni. Ma non è quello che succede".

Per capire perché il concetto di rovina del giocatore d'azzardo non fosse vero, i ricercatori hanno utilizzato un reattore nucleare a bassa potenza situato presso il Walthousen Reactor Critical Facility a New York. Un reattore a bassa potenza era essenziale per tracciare la durata della vita dei singoli neutroni perché i reattori su larga scala possono avere trilioni di interazioni in qualsiasi momento. Il team ha utilizzato tre diversi rilevatori di neutroni, compreso il rivelatore di array Neutron Multiplicity 3He sviluppato da Los Alamos (NoMAD), per tracciare ogni interazione all'interno del reattore.

Il team ha scoperto che mentre generazioni di neutroni si raggruppavano in grandi alberi genealogici e altri si estinguevano, nel piccolo reattore è stata evitata una morte completa a causa della fissione spontanea, o la scissione nucleare non indotta di materiale radioattivo all'interno dei reattori, che crea più neutroni. Quell'equilibrio tra fissione e fissione spontanea ha impedito alla popolazione di neutroni di estinguersi completamente, e tendeva anche a smussare le esplosioni di energia create dall'aggregazione di neutroni.

"I reattori nucleari di dimensioni commerciali non dipendono dalla sola popolazione di neutroni per raggiungere la criticità, perché hanno altri interventi come la regolazione della temperatura e dell'asta di controllo, " ha detto Hutchinson. "Ma questo test era interessato a rispondere a domande fondamentali sul comportamento dei neutroni nei reattori, e i risultati avranno un impatto sulla matematica che usiamo per simulare i reattori e potrebbero persino influenzare la progettazione futura e le procedure di sicurezza".