Neutrony w reaktorze powstają, są rozpraszane, spowalniane i pochłaniane oraz częściowo uciekają z rdzenia, więc cały układ trzeba tak zaprojektować, żeby liczba neutronów pozostawała na poziomie zapewniającym stabilną pracę.
To właśnie opisuje reaktywność, czyli odchylenie układu od stanu krytycznego.
Moderator – spowalnianie neutronów
Neutrony powstające w rozszczepieniu mają zbyt wysoką energię, żeby efektywnie wywoływać kolejne rozszczepienia U-235. Dlatego w wielu reaktorach stosuje się moderator, czyli materiał spowalniający neutrony poprzez zderzenia sprężyste.
Najczęściej są to:
- woda lekka (H₂O),
- woda ciężka (D₂O),
- grafit.
Mechanizm polega na wielokrotnych zderzeniach neutronów z lekkimi jądrami (im bardziej zbliżone są masy neutronu i jądra, z którym się zderza, tym więcej energii neutron oddaje podczas jednego zderzenia), aż ich energia spada do zakresu termicznego (~0,025 eV), gdzie prawdopodobieństwo rozszczepienia U-235 jest najwyższe.
Warto podkreślić: nie wszystkie reaktory wymagają moderatora.
- reaktory wodne (PWR – woda, BWR – woda, CANDU – ciężka woda) – wymagają moderacji,
- reaktory grafitowe (np. RBMK – grafit, GCR – grafit) – wymagają moderacji,
- reaktory prędkie (FBR) – nie wymagają moderatora, bo wykorzystują neutrony szybkie.
Reflektor neutronów – odzyskiwanie strat
Nie wszystkie neutrony uczestniczą w dalszych reakcjach — część opuszcza aktywną strefę rdzenia.
Dlatego stosuje się reflektor neutronów, czyli warstwę materiału otaczającą rdzeń, która:
- nie pochłania neutronów w dużym stopniu,
- lecz je rozprasza z powrotem do rdzenia.
Typowe materiały:
- woda,
- grafit,
- stal,
- beryl.
Reflektor:
- zmniejsza ucieczkę neutronów,
- poprawia bilans neutronowy,
- pozwala zmniejszyć rozmiar rdzenia przy tej samej mocy.
Często ten sam materiał jest jednocześnie moderatorem i reflektorem.
Beryl to ciekawy przypadek. Oprócz odbijania neutronów może je również „rozmnażać”. Uderzenie wysokoenergetycznego neutronu w beryl może powodować reakcję jądrową, w której powstają dodatkowe neutrony. Ten metal jest reflektorem w polskim reaktorze badawczym Maria.
Pochłaniacze neutronów – „hamulce” reakcji
Oprócz moderatora i reflektora stosuje się materiały, które aktywnie usuwają neutrony z reakcji — pochłaniacze neutronów.
Najważniejsze:
- bor,
- kadm,
- hafn.
Ich jądra mają bardzo duży przekrój czynny na pochłanianie neutronów, co oznacza wysokie prawdopodobieństwo ich wychwycenia.
Pręty kontrolne – regulacja w czasie rzeczywistym
Pochłaniacze neutronów występują najczęściej w formie prętów kontrolnych, które można:
- wsunąć do rdzenia (spadek liczby neutronów → spadek mocy),
- wysunąć (wzrost liczby neutronów → wzrost mocy).
To podstawowy mechanizm sterowania reaktorem podczas pracy. W sytuacjach awaryjnych pręty mogą zostać wprowadzone w całości, co powoduje szybkie wygaszenie reakcji łańcuchowej.
Pierwszy w historii pochłaniacz neutronów był zawieszony na linach nad rdzeniem reaktora. Obok czuwał człowiek z toporem, gotowy przeciąć liny w razie konieczności zatrzymania reakcji łańcuchowej. Według jednej z wersji, stąd właśnie pochodzi nazwa awaryjnego wyłączania reaktora SCRAM (Safety Control Rod Axe Man).
W reaktorach ciśnieniowych PWR do wody dodaje się kwas borowy – płynny pochłaniacz – który umożliwia wygodne i płynne 😊 sterowanie reaktorem poprzez zmiany stężenia kwasu.
Reaktywność i współczynnik k
Zachowanie układu opisuje współczynnik mnożenia neutronów k:
- k<1 – reakcja wygasa (stan podkrytyczny),
- k=1 – reakcja stabilna (stan krytyczny),
- k>1 – reakcja narasta (stan nadkrytyczny).
Moderator, reflektor i pochłaniacze są narzędziami, które pozwalają utrzymać k bardzo blisko 1.
Co stabilizuje reakcję łańcuchową?
W reaktorze działają naturalne sprzężenia zwrotne:
- zmiany temperatury wpływają na własności chłodziwa, moderatora i paliwa,
- część neutronów ucieka z rdzenia,
- pochłaniacze kompensują ich nadmiar.
W efekcie układ ma naturalną tendencję do samostabilizacji, o ile jest prawidłowo zaprojektowany i sterowany.
Weźmy na przykład wodę – jeśli reaktor zacznie się przegrzewać, woda rozszerza się i rzednie. Mniejsza gęstość wody oznacza gorsze spowalnianie neutronów. Przez to reakcja łańcuchowa samoczynnie słabnie.
Jeśli jednak woda jest chłodziwem i pochłaniaczem w reaktorze moderowanym grafitem, układ może ulec zniszczeniu, jak w Czarnobylu, gdzie w przegrzanym reaktorze woda zmieniła się w parę i przestała pochłaniać neutrony. W tym czasie moderator grafitowy nadal działał. Reakcja łańcuchowa zaczęła rozwijać się bez kontroli.
Nie oznacza to jednak, że każdy reaktor grafitowy zachowuje się w ten sposób. Była to specyficzna cecha konstrukcji RBMK, która została ujawniona podczas katastrofy w Czarnobylu.
Podsumowanie
Utrzymanie reakcji łańcuchowej nie polega na „rozpaleniu” reaktora i pozostawieniu go samemu sobie. Moderator, reflektor, pochłaniacze oraz naturalne sprzężenia zwrotne sprawiają, że liczba neutronów może być precyzyjnie kontrolowana. To właśnie dzięki temu reaktor pracuje stabilnie przez wiele miesięcy między kolejnymi wymianami paliwa.
