Absorbátory neutronů

Absorbátory neutronů jsou látky, které obsahují izotopy s vysokou schopností pohltit neutron. Z pohledu jaderné energetiky jsou zásadním prvkem pro řízení štěpné řetězové reakce 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.

Základní fyzikální popis

Štěpení uranu ve skutečnosti probíhá přes nestabilní složené jádro 236U, to ale nemá vliv na bilanci neutronů.

==== Vznik volných neutronů ==== V jaderném reaktoru se získává energie štěpením jader vhodných izotopů. Jako příklad lze uvést běžné palivo uran ^{235}_{92}U a jeho jednu z mnoha štěpných reakcí:

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

Člen E_{f} vyjadřuje množství energie uvolněné při jednom štěpení. Pro uran platí E_{f} \approx 200 MeV.

Z rovnice vyplývá, že z jednoho neutronu vznikají štěpením tři nové (průměrně 2,43 pro uran), které se mohou účastnit další štěpné reakce. Pokud by nedocházelo k regulaci počtu neutronů, rostlo by jejich množství exponenciálně. +more 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:

* 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. +more 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:

* 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. +more 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. +more Veličina popisující odchylku od kritického stavu se nazývá reaktivita a značí se \rho. Platí následující:.

* \rho : podkritický reaktor, výkon se snižuje a neutronový tok klesá * \rho = 0: kritický reaktor, výkon ani neutronový tok se nemění * \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. +more 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

==== Regulační tyče ==== Regulační tyče bývají vyrobeny z oceli legované absorbátorem. Proto musí mít absorbátor kromě vysokého \sigma_{a} i vhodné metalurgické vlastnosti. +more Do regulačních tyčí se používá zpravidla bór nebo kadmium.

==== Rozpustné absorbátory ==== Pokud je reaktor chlazen nebo moderován vodou, je možné přidávat absorbátor ve formě vodného roztoku kyseliny nebo soli. Tlakovodní reaktory používají nejčastěji kyselinu boritou H3B O3. +more Další používaná sloučenina je dusičnan gadolinitý Gd(NO3)3. Ten se používá v reaktorech CANDU pro havarijní odstavení, kdy je bohatý roztok absorbátoru vtlačován do prostoru kalandrie, aby zastavil štěpnou reakci.

==== Vyhořívající absorbátory ====

Na rozdíl od ostatních absorbátorů jsou vyhořívající absorbátory pevně spjaty s palivem a počítá se s jejich úbytkem v čase. Vzhledem k tomu, že je činnost vyhořívajících absorbátorů časově omezená, je důležité aby izotopy vznikající přeměnou absorbátoru měly malý \sigma _{a} a dál už neovlivňovaly neutronový tok. +more Tuto podmínku splňují všechny uvedené prvky vyjma dysprosia. Dysprosium ^{161}Dy se záchytem neutronů mění na ^{161}Dy . ^{164}Dy, kde všechny vznikající izotopy mají výrazný \sigma _{a}.

Z hlediska trvanlivosti vyhořívajícího absorbátoru není vysoká hodnota \sigma _{a} optimální, protože dochází k velmi rychlému vyhoření.

Vyhořívající absorbátory umožňují obohacení paliva nad hodnotu 4% \; ^{235}U. Vyšší obohacení prodlužuje palivovou kampaň a má pozitivní ekonomický dopad. +more Rozložení a koncentrace absorbátoru v palivovém souboru je zásadním prvkem designu vysoce obohacených paliv a je součástí know-how každého výrobce.

Typy vyhořívajících absorbátorů

Pomocí vyhořívajících absorbátorů lze upravovat neutronový tok v aktivní zóně a profilovat rozložení výkonu v reaktoru. Rozmístění absorbátorů a čerstvých palivových souborů je předmětem optimalizace při fyzikálním výpočtu palivové vsázky. +more Schéma palivového souboru společnosti TVEL používaného v reaktorech VVER 440. Palivo používá jako absorbátor gadolinium. .

==== Integrální vyhořívající absorbátor - IFBA (Integral Fuel Burnable Absorber) ==== Integrální absorbátor je přímo součástí paliva a nachází se v palivových proutcích. Absorbátor se přidává ve formě prášku jako oxid gadolinitý Gd_{2}O_{3}, nebo diborid zirkonia ZrB_{2}. +more Prášek může být buď zalisovaný do matrice paliva v palivové peletce, nebo naprášený na povrchu peletky ve formě tenkého filmu.

Výhodou integrálního absorbátoru je, že nenarušuje zavedený tvar palivového souboru ani jeho hydraulické vlastnosti. Integrální absorbátory lze používat jak v tlakovodních tak varných reaktorech.

Nevýhodou je snížení tepelné vodivosti, teploty tání a sklon k napuchání palivových peletek. Peletky s vyhořívajícím absorbátorem se musí vyrábět v jiném závodě než běžné palivo, aby nedošlo k vzájemné kontaminaci. +more I velmi malá množství nechtěného absorbátoru mohou mít negativní vliv na průběh vyhořívání paliva.

==== Diskrétní vyhořívající absorbátor - BPRA (Burnable Poison Rod Assembly) ==== Diskrétní absorbátor se nachází v palivovém souboru ve formě absorpčních proutků. Konstrukce absorpčních proutků je podobná jako u palivových, lisované peletky absorbátoru jsou uloženy v zirkoniovém obalu a hermeticky utěsněny. +more Pro výrobu peletek se používá práškový karbid boru B_{4}C.

Výhodou diskrétních absorbátorů je, že nejsou pevnou součástí paliva a lze je využívat modulárně, tj. skládat palivové soubory různými způsoby podle potřeby.

Nevýhody diskrétních absorbátorů se vztahují k větší produkci radioaktivního odpadu a narušení hydraulického návrhu aktivní zóny. V neposlední řadě je problematické použití bóru, který se záchytem neutronu štěpí na lithium a helium. +more Plynný produkt štěpení potom tlakově namáhá zirkoniový obal proutku. To platí pro integrální i diskrétní absorbátory.

Diskrétní absorbátory se nepoužívají ve varných reaktorech.

Odkazy

Reference

Literatura

Související články

Řídicí tyč * Štěpná jaderná reakce * Moderátor neutronů * Jaderný reaktor

Kategorie:Jaderná energetika Kategorie:Jaderné elektrárny