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^[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

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 ${\displaystyle {\ce {^{235}_{92}U}}}$ a jeho jednu z mnoha štěpných reakcí^[3]:

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

Člen ${\displaystyle {\ce {E_{f}}}}$ vyjadřuje množství energie uvolněné při jednom štěpení. Pro uran platí ${\displaystyle {\ce {E_{f}\approx 200 MeV}}}$^[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 ${\displaystyle \sigma _{s}}$ a pro absorpci ${\displaystyle \sigma _{a}}$. Každý izotop má určité hodnoty ${\displaystyle \sigma _{s}}$ a ${\displaystyle \sigma _{a}}$, které vyjadřují vliv daného izotopu na tok neutronů. Absorbátory jsou tedy látky s vysokou hodnotu ${\displaystyle \sigma _{a}}$. 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 ${\displaystyle \sigma _{a}}$.

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

• radiační záchyt ${\displaystyle (n,\gamma )}$: neutron je pohlcen v jádře a přebytečná energie je vyzářena jedním nebo více fotony gama záření
• záchyt s vyzářením částice ${\displaystyle (n,\alpha )/(n,p)}$: neutron je pohlcen a dojde k odštěpení ${\displaystyle \alpha }$ částice nebo protonu
• štěpení ${\displaystyle (n,f)}$: 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 ${\displaystyle {\ce {\rho}}}$. Platí následující^[6]:

• ${\displaystyle {\ce {\rho < 0}}}$: podkritický reaktor, výkon se snižuje a neutronový tok klesá
• ${\displaystyle {\ce {\rho = 0}}}$: kritický reaktor, výkon ani neutronový tok se nemění
• ${\displaystyle {\ce {\rho > 0}}}$: 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 ${\displaystyle \sigma _{a}}$ pro energii neutronů 0,0253 eV^[7]

Izotop	${\displaystyle \sigma _{a}[b=cm^{2}\cdot 10^{-24}]}$	Typ absorpce
${\displaystyle {\ce {^{10}B}}}$	3 844	${\displaystyle (n,\alpha )}$
${\displaystyle {\ce {^{113}Cd}}}$	19 969	${\displaystyle (n,\gamma )}$
${\displaystyle {\ce {^{155}Gd}}}$	60 737	${\displaystyle (n,\gamma )}$
${\displaystyle {\ce {^{157}Gd}}}$	252 912	${\displaystyle (n,\gamma )}$
${\displaystyle {\ce {^{167}Er}}}$	650	${\displaystyle (n,\gamma )}$
${\displaystyle {\ce {^{161}Dy}}}$	600	${\displaystyle (n,\gamma )}$
${\displaystyle {\ce {^{164}Dy}}}$	2 653	${\displaystyle (n,\gamma )}$
${\displaystyle {\ce {^{151}Eu}}}$	9185	${\displaystyle (n,\gamma )}$[8]

Peletky slisovaného paliva před tím, než jsou uloženy v palivovém proutku.

Palivový soubor složený z jednotlivých palivových proutků. Regulační tyče (klastry) se pohybují mezi proutky v osovém směru.

Regulační tyče

Regulační tyče bývají vyrobeny z oceli legované absorbátorem. Proto musí mít absorbátor kromě vysokého ${\displaystyle \sigma _{a}}$ i vhodné metalurgické vlastnosti. Do regulačních tyčí se používá zpravidla bór nebo kadmium^[9].

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 ${\displaystyle {\ce {H3B O3}}}$. Další používaná sloučenina je dusičnan gadolinitý ${\displaystyle {\ce {Gd(NO3)3}}}$. Ten se používá v reaktorech CANDU^[10] 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 ${\displaystyle \sigma _{a}}$ a dál už neovlivňovaly neutronový tok. Tuto podmínku splňují všechny uvedené prvky vyjma dysprosia. Dysprosium ${\displaystyle {\ce {^{161}Dy}}}$ se záchytem neutronů mění na ${\displaystyle {\ce {^{161}Dy}}}$ ... ${\displaystyle {\ce {^{164}Dy}}}$, kde všechny vznikající izotopy mají výrazný ${\displaystyle \sigma _{a}}$^[7].

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

Vyhořívající absorbátory umožňují obohacení paliva nad hodnotu ${\displaystyle 4\%\;^{235}U}$. Vyšší obohacení prodlužuje palivovou kampaň a má pozitivní ekonomický dopad. 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.

Schéma palivového souboru společnosti TVEL používaného v reaktorech VVER 440. Palivo používá jako absorbátor gadolinium^[7].

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 ${\displaystyle {\ce {Gd_{2}O_{3}}}}$, nebo diborid zirkonia ${\displaystyle {\ce {ZrB_{2}}}}$^[9]. 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^[9]. Peletky s vyhořívajícím absorbátorem se musí vyrábět v jiném závodě než běžné palivo, aby nedošlo k vzájemné kontaminaci. 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. Pro výrobu peletek se používá práškový karbid boru ${\displaystyle {\ce {B_{4}C}}}$^[9].

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. Plynný produkt štěpení potom tlakově namáhá zirkoniový obal proutku. To platí pro integrální i diskrétní absorbátory.

Diskrétní absorbátory se nepoužívají ve varných reaktorech^[2].

Odkazy

Reference

1. ČEZ, Výkladový slovník energetiky [online]. [cit. 2020-10-10]. Dostupné z: https://www.cez.cz/edee/content/file/static/encyklopedie/vykladovy-slovnik-energetiky/hesla/absorb_tyce.html
2. MICHAL, Zeman. Optimalizace vyhořívajících absorbátorů pro reaktor EPR. dspace.cvut.cz. 2018-01-15. Dostupné online [cit. 2022-12-12]. (anglicky) 
3. Jaderná energie. www.cez.cz [online]. [cit. 2022-12-15]. Dostupné online. 
4. LEWIS, E. E. Fundamentals of nuclear reactor physics. Amsterdam: Elsevier/Academic Press 1 online resource (xv, 293 pages) s. Dostupné online. ISBN 978-0-12-370631-7, ISBN 0-12-370631-9. OCLC 281558248 
5. FRÝBORT, Jan. Úvod do reaktorové fyziky : teorie a cvičení. 1. vyd. vyd. V Praze: České vysoké učení technické 120 s. s. Dostupné online. ISBN 978-80-01-05322-5, ISBN 80-01-05322-9. OCLC 867820625 
6. HEZOUČKÝ, František. Základy teorie normálních a abnormálních provozních režimů energetických bloků s tlakovodními reaktory. Vydání 1. vyd. Plzeň: [s.n.] 198 stran s. Dostupné online. ISBN 978-80-261-0548-0, ISBN 80-261-0548-6. OCLC 934900592 
7. SKLENKA, Ľubomír. Provozní reaktorová fyzika. 2. přepracované vydání. vyd. V Praze: [s.n.] 195 stran s. Dostupné online. ISBN 978-80-01-05901-2, ISBN 80-01-05901-4. OCLC 946295354 
8. TONCHEV, A. P.; GANGRSKY, Yu. P.; BELOV, A. G. Deformation on isomeric excitation of Eu isotopes in $(\ensuremath{\gamma},n)$ and $(n,\ensuremath{\gamma})$ reactions. Physical Review C. 1998-11-01, roč. 58, čís. 5, s. 2851–2857. Dostupné online [cit. 2022-12-15]. DOI 10.1103/PhysRevC.58.2851. 
9. PETERKA, Michal. Vyhořívající absorbátory pro uranový a thoriový cyklus VVER. dspace5.zcu.cz. 2017. Dostupné online [cit. 2022-12-12]. 
10. A.A., Pasanen,. Fundamentals of CANDU reactor nuclear design. inis.iaea.org. 1982. Dostupné online [cit. 2022-12-12]. (anglicky) 

Literatura

• SKLENKA, Ľubomír; HERALTOVÁ, Lenka. Provozní reaktorová fyzika. 2. vyd. Praha: České vysoké učení technické v Praze, 2016. 196 s. ISBN 978-80-01-05901-2. 

• FRÝBORT, Jan; HERALTOVÁ, Lenka; ŠTEFÁNIK, Milan. Úvod do reaktorové fyziky. 1. vyd. Praha: České vysoké učení technické v Praze, 2013. 120 s. ISBN 978-80-01-05322-5. 
• LEWIS, Elmer E. Fundamentals of Nuclear Reactor Physics. [s.l.]: Elsevier Science Publishing, 2008. 312 s. ISBN 978-0-12-370631-7. 
• HEZOUČKÝ, František; ŠTĚCH, Svatobor. Základy teorie normálních a abnormálních provozních režimů energetických bloků s tlakovodními reaktory. 1. vyd. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní knihovna, 2015. 199 s. ISBN 978-80-261-0548-0. 

Související články

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