Absorbátory neutronů - Zákldné pojmy z elektrotechniky

Absorbátory neutronů jsou látky, které obsahují izotopy s vysokou schopností pohltit neutron. Z pohledu jaderné energetiky jsou zásadním prvkem pro řízení štěpné řetězové reakce^[1] v jaderném reaktoru, kde podle potřeby absorbují neutrony. Absorbátory se nachází jak v řídicích, tak havarijních prvcích reaktoru. Nejčastějšími absorbátory jsou bór a kadmium nebo gadolinium^[2].

Základní fyzikální popis

Vznik volných neutronů

V jaderném reaktoru se získává energie štěpením jader vhodných izotopů. Jako příklad lze uvést běžné palivo uran ${\ce {^{235}_{92}U}}$ a jeho jednu z mnoha štěpných reakcí^[3]:

${\ce {^{1}_{0}n + ^{235}_{92}U -> ^{144}_{56}Ba + ^{89}_{36}Kr + 3^{1}_{0}n + E_{f}}}$

Člen ${\ce {E_{f}}}$ vyjadřuje množství energie uvolněné při jednom štěpení. Pro uran platí ${\ce {E_{f}\approx 200 MeV}}$ ^[4].

Z rovnice vyplývá, že z jednoho neutronu vznikají štěpením tři nové (průměrně 2,43^[5] pro uran), které se mohou účastnit další štěpné reakce. Pokud by nedocházelo k regulaci počtu neutronů, rostlo by jejich množství exponenciálně^[6]. Stejně tak by se uvolňovalo víc štěpné energie a docházelo by k enormnímu vývinu tepla. Takový stav je nežádoucí a může vést k havárii, proto je třeba neutrony absorbovat.

Interakce neutronu s prostředím

Když se neutron pohybuje prostředím, může interagovat dvojím způsobem^[5]:

rozptyl: neutron se odrazí od terčového jádra
absorpce: neutron je pohlcen v terčovém jádře

Míru pravděpodobnosti obou jevů určuje mikrosopický účinný průřez pro rozptyl $\sigma _{s}$ a pro absorpci $\sigma _{a}$ . Každý izotop má určité hodnoty $\sigma _{s}$ a $\sigma _{a}$ , které vyjadřují vliv daného izotopu na tok neutronů. Absorbátory jsou tedy látky s vysokou hodnotu $\sigma _{a}$ . Stejně tak jaderné palivo musí mít schopnost absorbovat neutron, aby mohlo dojít ke štěpení. Naproti tomu konstrukční materiály, pokud nemají zasahovat do neutronové bilance reaktoru, musí mít co nejmenší $\sigma _{a}$ .

Když dojde k pohlcení neutronu v terčovém jádře, nastává jeden z následujících procesů^[5]:

radiační záchyt $(n,\gamma )$ : neutron je pohlcen v jádře a přebytečná energie je vyzářena jedním nebo více fotony gama záření
záchyt s vyzářením částice $(n,\alpha )/(n,p)$ : neutron je pohlcen a dojde k odštěpení $\alpha$ částice nebo protonu
štěpení $(n,f)$ : zásadní reakce pro jadernou energetiku, pohlcením neutronu vznikne nestabilní izotop, který se rozpadne a uvolní energii

O tom, jakým způsobem je neutron pohlcen, rozhoduje především izotop terčového jádra. Dále hraje roli energie neutronu a pravděpodobnost. Všechny jevy probíhají jen s určitou mírou pravděpodobnosti vyjádřenou odpovídajícími miskroskopickými průřezy.

Řízení jaderného reaktoru

Tepelný výkon reaktoru je úměrný počtu štěpení v aktivní zóně a tím i neutronovému toku. Regulací neutronového toku lze řídit výkon reaktoru. Veličina popisující odchylku od kritického stavu se nazývá reaktivita a značí se ${\ce {\rho}}$ . Platí následující^[6]:

${\ce {\rho < 0}}$ : podkritický reaktor, výkon se snižuje a neutronový tok klesá
${\ce {\rho = 0}}$ : kritický reaktor, výkon ani neutronový tok se nemění
${\ce {\rho > 0}}$ : nadrkitický reaktor, výkon i neutronový tok rostou

Krátkodobá regulace

Při změně výkonu, odstavení anebo najetí reaktoru je potřeba měnit reaktivitu aktivní zóny. K tomu se v reaktorech používají regulační tyče vyrobené z absorbujícího materiálu. Zasunutím regulačních tyčí se vnáší záporná reaktivita a výkon klesá.

Dlouhodobá regulace

V rámci jedné palivové kampaně v reaktoru probíhají procesy, které snižují reaktivitu. Hlavně se uplatňuje:

vyhořívání paliva: úbytek štěpných jader v palivu a tím oslabování neutronového toku
zastruskování reaktoru: v reaktoru se množí štěpné produkty, z nichž některé absorbují neutrony

Aby reaktor mohl pracovat po celou dobu kampaně, musí se vysoká reaktivita čerstvého paliva kompenzovat zavedením záporné reaktivity opět pomocí absorbátoru (rozpustného nebo vyhořívajícího).

Používané materiály

Hodnoty **$\sigma _{a}$** pro energii neutronů 0,0253 eV^[7]
Izotop	$\sigma _{a}$	Typ absorpce
${\ce {^{10}B}}$	3 844	$(n,\alpha )$
${\ce {^{113}Cd}}$	19 969	$(n,\gamma )$
${\ce {^{155}Gd}}$	60 737	$(n,\gamma )$
${\ce {^{157}Gd}}$	252 912	$(n,\gamma )$
${\ce {^{167}Er}}$	650	$(n,\gamma )$
${\ce {^{161}Dy}}$	600	$(n,\gamma )$
${\ce {^{164}Dy}}$

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]