سهم ۰.۶۵ درصدی نوترون‌های تاخیری که واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای را قابل‌کنترل می‌کند

یک انفجار شیمیایی انرژی خود را در کسری از میلی‌ثانیه آزاد می‌کند و پس از شروع واکنش، مهار یا هدایت آن غیرممکن می‌شود. یک واکنش زنجیره‌ای شکافت هسته‌ای نیز دقیقا به همین شکلِ غیرقابل‌کنترل رفتار می‌کرد، اگر یک ناهنجاری میکروسکوپی در فیزیک اورانیوم وجود نداشت: تقریبا ۰.۶۵ درصد از نوترون‌های تولید شده در طول شکافت، با تاخیر می‌رسند.[6]

هنگامی که هسته اورانیوم-۲۳۵ شکافته می‌شود، انرژی، قطعات شکافت سبک‌تر و دو یا سه نوترون آزاد می‌کند. بیش از ۹۹ درصد از این نوترون‌ها «آنی» هستند که در کمتر از یک هزارم ثانیه به بیرون پرتاب می‌شوند. اگر یک رآکتور تنها به نوترون‌های آنی متکی بود، جمعیت نوترون‌ها چنان با سرعت نمایی چند برابر می‌شد که میله‌های کنترل مکانیکی - که حرکت آن‌ها چند ثانیه طول می‌کشد - کاملا بی‌فایده می‌شدند.[6][7]

بر اساس مستندات فیزیک دانشگاه استنفورد: «از آنجا که تعداد نوترون‌ها به صورت نمایی رشد می‌کند، ضروری است که زمان تاخیر در مقیاس زمانیِ مرتبط با فرآیند مکانیکی حرکت میله‌ها باشد.» از آنجا که نوترون‌های آنی در ثابت زمانی میلی‌ثانیه عمل می‌کنند، رآکتوری که تنها با آن‌ها کار کند، جهش‌های توانی بسیار سریعی را تجربه می‌کند که هیچ سیستم فیزیکی قادر به مهار آن نیست.[6]

راه‌حل این مشکل کنترلی توسط کسر باقی‌مانده نوترون‌ها فراهم می‌شود که به دلیل واپاشی پرتوزای قطعات شکافت با تاخیر مواجه می‌شوند. این قطعات بسیار ناپایدار هستند و برای رسیدن به حالت پایدارتر تحت واپاشی بتا قرار می‌گیرند. در تعداد کمی از موارد، این واپاشی بتا هسته دختر حاصل را در حالت برانگیخته رها می‌کند که سپس یک نوترون ساطع می‌کند.[7]

از آنجا که این انتشار به نیمه‌عمر واپاشی بتای ایزوتوپ‌های پیش‌ساز بستگی دارد، این «نوترون‌های تاخیری» از چند دهم ثانیه تا نزدیک به ۹۰ ثانیه پس از رویداد شکافت اولیه وارد قلب رآکتور می‌شوند. این تاخیر به عنوان یک ضربه‌گیر زمانی عمل کرده و سرعت کلی واکنش را درست به اندازه‌ای کاهش می‌دهد که اپراتورهای انسانی و میله‌های کنترل خودکار بتوانند قلب رآکتور را مدیریت کنند.[6][7]

کشف بنیادین این پدیده به سال ۱۹۳۹ بازمی‌گردد، زمانی که پژوهشگری به نام آر.بی. رابرتز و همکارانش لیتیوم و اورانیوم را با دوترون بمباران کردند. آن‌ها مشاهده کردند که در حالی که نوترون‌های آنی بلافاصله پس از خاموش شدن پرتو متوقف شدند، نمونه اورانیوم تا یک دقیقه و نیم به انتشار نوترون ادامه داد.[6]

در فیزیک رآکتورهای مدرن، این بازده خام ۰.۶۵ درصدی به یک پارامتر عملیاتی حیاتی به نام کسر موثر نوترون‌های تاخیری یا βeff ترجمه می‌شود. کسر موثر با کسر فیزیکی خام متفاوت است زیرا نوترون‌های تاخیری با انرژی‌های پایین‌تری - معمولا بین ۰.۳ تا ۰.۹ مگاالکترون‌ولت (MeV) - در مقایسه با میانگین ۲ مگاالکترون‌ولتی نوترون‌های آنی متولد می‌شوند.[3][7]

از آنجا که نوترون‌های تاخیری با انرژی‌های پایین‌تری شروع به کار می‌کنند، برای تداوم واکنش زنجیره‌ای حرارتی نیازی به کاهش سرعت زیادی ندارند، که این امر احتمال نشت آن‌ها از قلب رآکتور یا جذب شدن توسط مواد غیرشکافت‌پذیر را کاهش می‌دهد. در نتیجه، اهمیت واقعی آن‌ها در تداوم واکنش، به طور ریاضی توسط هندسه و مواد خاص رآکتور وزن‌دهی می‌شود.[2][3]

اندازه‌گیری‌های تجربی تایید می‌کنند که چگونه طراحی قلب این حاشیه ایمنی را تغییر می‌دهد. در رآکتور توان‌صفر MINERVE در مرکز تحقیقات کاداراش فرانسه، پژوهشگران کسر موثر نوترون‌های تاخیری پیکربندی قلب MAESTRO را ۷۱۱ در صد هزار (pcm) یا ۰.۷۱۱ درصد اندازه‌گیری کردند.[3]

در سیستم‌های کوچک‌تر با غنای بالا، این اثر حتی بارزتر است. اندازه‌گیری‌های انجام شده در رآکتور تحقیقاتی ۱۰۰ کیلوواتی IPR-R1 TRIGA Mark I در برزیل، که در نوامبر ۱۹۶۰ به اولین بحرانیت خود رسید، کسر موثر نوترون‌های تاخیری را ۷۹۰ pcm (۰.۷۹۰٪) نشان داد. سوخت اورانیوم با غنای ۲۰ درصد و بازتابنده گرافیتی استوانه‌ای این رآکتور تضمین می‌کند که نوترون‌های تاخیری به شدت مورد استفاده قرار گرفته و حاشیه کنترل را گسترش می‌دهند.[2]

پژوهشگران در مطالعه‌ای در سال ۲۰۱۵ روی رآکتور MINERVE خاطرنشان کردند: «نوترون‌های تاخیری در زمینه دینامیک و کنترل رآکتورهای هسته‌ای از اهمیت بنیادین برخوردارند.» این پارامتر در عملیات چنان مرکزی است که اغلب به عنوان واحد بنیادین واکنش‌پذیری، معروف به «دلار»، استفاده می‌شود.[3][5]

با این حال، کسر نوترون‌های تاخیری در طول عمر یک رآکتور ثابت نیست. همانطور که یک رآکتور آب سبک کار می‌کند، سوخت اولیه اورانیوم-۲۳۵ خود را مصرف کرده و به تدریج پلوتونیوم-۲۳۹ را از اورانیوم-۲۳۸ اطراف تولید می‌کند.[7]

پلوتونیوم-۲۳۹ هنگام شکافت کسر بسیار کمتری از نوترون‌های تاخیری تولید می‌کند - تقریبا یک‌سوم مقدار تولید شده توسط اورانیوم-۲۳۵. با افزایش محتوای پلوتونیوم سوخت در اواخر چرخه عملیاتی، کسر موثر کلی نوترون‌های تاخیری قلب کاهش می‌یابد که این امر حاشیه خطا را محدود کرده و نیازمند حرکات دقیق‌تر میله‌های کنترل است.[7]

فیزیک نوترون‌های تاخیری همچنین چالش‌های منحصربه‌فردی را برای طراحی رآکتورهای پیشرفته، به ویژه رآکتورهای نمک مذاب که در آن‌ها سوخت مایع در حلقه‌ها گردش می‌کند، ایجاد می‌کند. در این سیستم‌ها، پیش‌سازهای نوترون تاخیری به صورت فیزیکی با جریان سیال حرکت می‌کنند.[5]

اگر سیال خیلی سریع حرکت کند، پیش‌سازها ممکن است در حالی که خارج از منطقه فعال قلب هستند دچار واپاشی شوند، به این معنی که نوترون‌های تاخیری آن‌ها برای واکنش زنجیره‌ای از دست می‌روند. محاسبه کسر موثر نوترون‌های تاخیری برای این سیستم‌های سوخت در گردش، نیازمند شبیه‌سازی‌های پیچیده مونت‌کارلو با انرژی پیوسته است تا سرعت دقیق و هندسه لوله‌کشی رآکتور را در نظر بگیرد.[5]

بدون سهم ۰.۶۵ درصدی نوترون‌های تاخیری، مهار انرژی هسته‌ای برای تولید برق غیرنظامی از نظر فیزیکی غیرممکن بود. کل معماری ایمنی هسته‌ای - از سرعت مکانیسم‌های ورود میله کنترل گرفته تا محدودیت‌های حرارتی غلاف سوخت - حول محور زمان مهلتی مهندسی شده است که توسط این ذراتِ دیررس فراهم می‌شود.[6][7]