核臨界安全性

核臨界安全は、不注意による自己持続的な核連鎖反応から生じる原子力事故や放射線事故の防止を目的とした原子力工学の分野です。^[1]

核臨界安全は、核臨界事故の影響を軽減することに関係しています。核臨界事故は、核分裂性物質を扱う作業によって発生し、突然の致命的となる可能性のある放射線の放出を引き起こします。

核臨界安全の専門家は、核分裂性物質の作業における通常の状況と起こりうる異常な状況を分析し、核分裂性物質の処理に関する安全な取り決めを設計することで、核臨界事故を防止しようとします。一般的な方法は、核臨界事故が発生する前に、プロセス条件に 2 つ以上の独立した同時かつ起こりそうもない変化が発生する必要がある操作に二重偶発性分析を適用することです。たとえば、最初の状況の変化は完全または部分的な浸水であり、2 番目の変化は核分裂性物質の再配置である可能性があります。

この分析の結果、プロセスパラメータ（核分裂性物質の質量、装置など）に対する制御（要件）が決定されます。これらの制御は、受動的（物理的）、能動的（機械的）、または管理的（人的）のいずれかであり、本質的に安全な、またはフォールトトレラントなプラント設計によって実装されます。または、そのような設計が実行不可能な場合は、操作手順、作業指示書、およびその他の手段などの管理的制御によって実装され、核臨界事故につながる可能性のある重大なプロセス変更の可能性を最小限に抑えます。

単純化した分析として、核分裂による中性子生成率が、漏洩によりシステムから吸収または失われる中性子の速度と正確にバランスしている場合、システムは正確に臨界状態になります。吸収と漏洩の潜在的な合計速度が常に中性子生成の潜在的な速度を上回るようにすることで、安全な亜臨界システムを設計できます。

システムの臨界性に影響を与えるパラメータは、記憶法MAGICMERV を使用して記憶できます。これらのパラメータの中には、互いに独立していないものもあります。たとえば、質量が変化すると、体積も変化します。

質量: 核分裂性核の総数が増加するにつれて、核分裂の確率が増加します。この関係は直線的ではありません。核分裂体のサイズと形状は一定で、密度と質量が変化する場合は、臨界状態が起こらないしきい値が存在します。このしきい値は臨界質量と呼ばれます。

吸収:吸収によりシステムから中性子が除去されます。臨界の可能性を制御または低減するために、大量の吸収剤が使用されます。優れた吸収剤としては、ホウ素、カドミウム、ガドリニウム、銀、インジウムなどがあります。

形状: 核分裂性システムの形状は、中性子がそこからどれだけ容易に逃げる (漏れる) かに影響し、逃げた場合、中性子は核分裂性物質内で核分裂イベントを引き起こすために利用できなくなります。したがって、核分裂性物質の形状は核分裂イベントの発生確率に影響します。薄い板などの表面積の大きい形状は漏れやすく、立方体や球などの小さくコンパクトな形状の同じ量の核分裂性物質よりも安全です。

ユニットの相互作用: 1つのユニットから漏れた中性子は別のユニットに入る可能性があります。 2 つのユニットは、それ自体は臨界未満ですが、相互に作用して臨界システムを形成する可能性があります。 ユニット間の距離とユニット間の物質が効果に影響します。

濃度/密度: 散乱、捕獲、または核分裂反応につながる中性子反応は、密度の高い物質で発生する可能性が高くなります。逆に、中性子は密度の低い物質から逃げる（漏れる）可能性が高くなります。

減速: 核分裂で生じる中性子は通常、高速 (高エネルギー) です。これらの高速中性子は、低速 (低エネルギー) 中性子ほど容易に核分裂を引き起こしません。中性子は原子核との衝突によって減速 (減速) されます。最も効果的な減速核は、水素、重水素、ベリリウム、炭素です。したがって、油、ポリエチレン、水、木材、パラフィン、人体などの水素含有物質は優れた減速体です。減速は衝突によって生じるため、ほとんどの減速体は優れた反射体でもあることに注意してください。

濃縮: 中性子が核分裂性原子核と反応する確率は、システム内の核分裂性原子核と非核分裂性原子核の相対数によって左右されます。システム内の核分裂性原子核の相対数を増やすプロセスを濃縮と呼びます。通常、濃縮度が低いと臨界の可能性が低くなり、濃縮度が高いと臨界の可能性が高くなります。

反射: 中性子が他の原子粒子 (主に原子核)と衝突して吸収されない場合、中性子は散乱します (つまり、方向が変わります)。方向の変化が十分に大きい場合、核分裂体から逃げ出したばかりの中性子は、その方向に偏向して戻り、核分裂の可能性が高まります。これを「反射」と呼びます。優れた反射体には、水素、ベリリウム、炭素、鉛、ウラン、水、ポリエチレン、コンクリート、炭化タングステン、鋼などがあります。

体積: 核分裂性物質の物体はどのような形状であっても、物体のサイズが大きくなると、中性子が表面に到達して脱出するまでに移動する平均距離が長くなります。したがって、物体のサイズが大きくなると、核分裂の可能性が高まり、漏洩の可能性は低くなります。したがって、どのような形状 (および反射条件 - 以下を参照) でも、中性子生成率と吸収および漏洩の合計率の間で正確なバランスが取れるサイズが存在します。これが臨界サイズです。

その他のパラメータは次のとおりです。

温度: この特定のパラメータは、一般的な動作環境での温度変化が最小限であるか、システムの臨界性に悪影響を与える可能性が低いため、臨界安全性の専門家によってはあまり考慮されません。多くの場合、分析対象のシステムの実際の温度は室温に近いと想定されます。この想定の顕著な例外には、高温リアクターと低温極低温実験が含まれます。

不均一性：核分裂性粉末を溶液に混ぜたり、粉末やスクラップを粉砕したり、核分裂性物質の小規模構造に影響を与えるその他のプロセスが重要です。通常は不均一性制御と呼ばれますが、均質なケースは通常反応性が低いため、一般的には均質性を維持することが懸念されます。特に、濃縮度が低い場合、システムは均質構成と比較して不均一構成でより反応性が高くなる可能性があります。^[2]

物理化学的形態: 特定の核分裂性物質の物理的状態 (固体、液体、気体)、形態 (溶液、粉末、未焼成ペレットまたは焼結ペレット、金属など)、および/または化学組成 (六フッ化ウラン、フッ化ウラニル、硝酸プルトニウム、混合酸化物など) を制御することから成ります。物理化学的形態は、密度、減速、中性子吸収などの他のパラメータに間接的に影響を及ぼす可能性があります。

核分裂性物質を含むシステムが安全かどうかを判断するには、その中性子バランスを計算する必要があります。非常に単純な場合を除き、通常はコンピュータ プログラムを使用してシステムの形状と物質特性をモデル化する必要があります。

アナリストは、通常、保守的または悲観的な仮定に基づいて、システムと材料の形状を記述します。中性子吸収体の密度とサイズは最小化され、核分裂性物質の量は最大化されます。一部の減速材は吸収体でもあるため、アナリストはこれらを悲観的にモデル化する際に注意する必要があります。コンピュータ コードを使用すると、アナリストは境界条件を使用して 3 次元システムを記述できます。これらの境界条件は、コンクリートの壁や池の表面などの実際の境界を表すことも、周期境界条件を使用して人工的な無限システムを表すために使用することもできます。これらは、多数の繰り返しユニットで構成される大規模なシステムを表すときに役立ちます。

臨界安全解析に使用されるコンピュータコードには、OPENMC（MIT）、COG（米国）、^[3] MONK（英国）、^[4] SCALE/KENO（米国）、^[5] MCNP（米国）、^{[6] CRISTAL（フランス） [7]}などがあります。

従来の臨界解析では、核分裂性物質が最も反応性の高い状態（通常は最大濃縮）にあり、照射されていない状態であると想定しています。使用済み核燃料の貯蔵および輸送では、燃焼クレジットを使用して燃料をより密に詰め込み、スペースを減らして、より多くの燃料を安全に取り扱うことができるようにすることができます。燃焼クレジットを実装するために、すべての照射済み燃料の代表的な同位体組成を生成する悲観的な条件を使用して、燃料は照射済みとしてモデル化されます。燃料の照射により、中性子吸収体と核分裂性同位体の両方からなるアクチニドと、中性子を吸収する核分裂生成物が生成されます。

燃焼度クレジットを使用する燃料貯蔵プールでは、新鮮な燃料と照射済み燃料を貯蔵するための別々の領域が設計されています。照射済み燃料貯蔵庫に燃料を貯蔵するには、初期の濃縮度と照射量に依存する負荷曲線^[要出典]を満たす必要があります。

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• 原子力および放射線の事故および事件
• 世界原子力事業者協会