Pochłanianie neutronów – pręty kontrolne i bezpieczeństwa, reflektor
Ponieważ każde rozszczepienie U-235 uwalnia kolejne neutrony, z których niemal każdy może wywołać następne rozszczepienie, to taka niekontrolowana reakcja łańcuchowa zakończyłaby się eksplozją.
Aby mieć kontrolę nad reakcją łańcuchową używa się w reaktorach tzw. prętów kontrolnych (sterujących), które absorbują nadmiar neutronów. Dzięki tym prętom reakcja łańcuchowa może trwać przez długi czas nie doprowadzając do eksplozji. Pręty sterujące wykonane są z substancji, które wyjątkowo dobrze absorbują neutrony. Za pomocą prętów kontrolnych można sterować pracą reaktora.
Pręty kontrolne i pręty bezpieczeństwa
Nadmiar neutronów absorbuje się za pomocą substancji, których jądra atomowe chętnie pochłaniają neutrony. Do tego służą przede wszystkim pierwiastki takie jak bor, ind, srebro czy kadm.
Dzięki prętom kontrolnym ze stopu aluminium i węglika boru (boral), które są wprowadzane i usuwane z rdzenia reaktora, można regulować strumień neutronów i kontrolować stan reaktora (rysunek poniżej). Przeczytaj o tym więcej w rozdziale: →Jak zatrzymać reakcję łańcuchową?
Już w pierwszym reaktorze jądrowym na świecie, zbudowanym przez Enrico Fermiego i jego zespół, zastosowane zostały tego typu pręty kontrolne.
Pręty kontrolne są także ważnymi elementami bezpieczeństwa reaktorów. W większości reaktorów jądrowych, część prętów sterujących, nazywanych prętami bezpieczeństwa, nie bierze udziału w sterowaniu reaktorem, tylko wisi cały czas nad rdzeniem utrzymywana przez elektromagnesy. W przypadku awarii zasilania lub sygnału awaryjnego wyłączenia reaktora elektromagnesy są natychmiast zwalniane i pręty bezpieczeństwa pod wpływem siły ciężkości spadają do rdzenia reaktora. Powoduje to natychmiastowe zatrzymanie reakcji łańcuchowej rozszczepienia i działa jako główny system wyłączania w przypadku awarii. Natychmiastowe wyłączenie reaktora, polegające na jednoczesnym zrzucie do rdzenia reaktora wszystkich prętów kontrolnych i bezpieczeństwa nazywamy SCRAM. W rozdziale →Bezpieczeństwo jądrowe – jak to się zaczęło? dowiesz się, skąd wzięło się to pojęcie. W reaktorach z wrzącą wodą (BWR) konstrukcja prętów kontrolnych jest inna – wsuwane są one do rdzenia reaktora od dołu.
Stan reaktora
Stan reaktora można opisać za pomocą porównania liczby rozszczepień wywołanych przez neutrony, które aktualnie znajdują się w rdzeniu reaktora (neutrony obecnej generacji) do liczby rozszczepień wywołanych przez neutrony z poprzedniej generacji. Stosunek tych liczb nazywamy „efektywnym współczynnikiem mnożenia neutronów” i oznaczamy keff.
Współczynnik keff opisuje dynamikę reakcji łańcuchowej, która zależy od stosunku produkcji neutronów w reakcji rozszczepienia do ich straty poprzez pochłanianie, np. w materiałach konstrukcyjnych czy w wyniku ucieczki z rdzenia:
Jeżeli keff jest większe niż 1, to wtedy z każdym rozszczepieniem wzrasta liczba neutronów. Jest to konieczne np. przy starcie reaktora, przy czym wzrasta liczba reakcji rozszczepienia. W tym przypadku mówi się, że reaktor znajduje się w stanie nadkrytycznym.
Jeżeli reaktor osiągnął założony poziom mocy, wtedy liczba reakcji rozszczepienia zostaje ustabilizowana za pomocą prętów regulacyjnych i wówczas keff wynosi dokładnie 1. Wtedy mówi się, że reaktor znajduje się w stanie krytycznym.
Przy wyłączeniu reaktorakeff obniża się do wartości mniejszej od 1 (często znacznie mniejszej). Mówimy wówczas, że reaktor jest w stanie podkrytycznym.
Reflektor
Część neutronów może z rdzenia reaktora po prostu uciec. Aby zminimalizować stratę neutronów, można zmniejszyć ich ucieczkę stosując „reflektor”, który otacza rdzeń reaktora. Materiały, z których wykonuje się reflektory powinny mieć własność odbijania neutronów.
Reflektor rozprasza z powrotem (odbija) wiele neutronów, które w przeciwnym razie uciekłyby z rdzenia. Zawrócone neutrony mogą następnie spowodować więcej rozszczepień i poprawić wydajność łańcuchowej reakcji rozszczepienia.
Stal, beryl, grafit lub woda to popularne materiały reflektorów. Reflektor wykonany z lekkiego materiału, takiego jak grafit lub woda, będzie również działał jako moderator neutronów, zmniejszając energię kinetyczną neutronów, podczas gdy ciężki materiał, taki jak stal czy ołów, będzie miał mniejszy wpływ na energię neutronów – stosuje się je w szczególnych typach reaktorów, w tzw. reaktorach prędkich.
Warto pamiętać!
Stan krytyczny reaktora nie oznacza nic złego! Gdy reaktor jest w stanie krytycznym, wówczas szybkość produkcji nowych neutronów w wyniku reakcji rozszczepienia jest równa szybkości ich utraty (np. poprzez absorpcję neutronów w materiałach konstrukcyjnych rdzenia lub po prostu ucieczkę poza rdzeń), a tym samym liczba zachodzących rozszczepień jest stała w czasie.