Jak zatrzymać reakcję łańcuchową?

Teraz jest już jasne, że kiedy rozszczepia się jądra atomowe (te właściwe) uwalniana jest energia. Wiemy też, w jaki sposób wywoływać reakcję łańcuchową. Ale jest jeszcze jeden problem: reakcja łańcuchowa musi być kontrolowana i zostać zahamowana. W końcu nikt nie chciałby, aby reakcja łańcuchowa przebiegała w sposób niekontrolowany. Tylko w jaki sposób się to robi?

Absorbowanie neutronów…

Decydującą rolę odgrywają neutrony. Ponieważ podczas każdego procesu rozszczepienia powstaje więcej niż jeden neutron, to teoretycznie w każdej następnej generacji zostaje wywołanych więcej rozszczepień niż w poprzedniej. Dlatego też trzeba zredukować liczbę neutronów w reaktorze. Można tego dokonać dzięki tzw. prętom kontrolnym, które absorbują nadmierną ilość neutronów.

Spójrzmy na poniższy rysunek przedstawiający schematycznie reaktor jądrowy. Pręty paliwowe umieszczone są w zbiorniku wypełnionym wodą. Pomiędzy pręty paliwowe wsuwane i wysuwane są pręty kontrolne, dzięki czemu sterujemy reakcją łańcuchową rozszczepienia. Gdy pręty paliwowe umieszczone są w położeniu górnym (wysunięte są z rdzenia), reaktor pracuje z pełną mocą (po prawej). Wyłączenie reaktora (lub zmniejszenie jego mocy) następuje przez wsunięcie prętów kontrolnych do rdzenia (po lewej).

Rys. Sterowanie reakcją łańcuchową rozszczepienia za pomocą prętów kontrolnych, po lewej - pręty kontrolne wsunięte do rdzenia, reaktor wyłączony, po prawej, pręty wysunięte z rdzenia, reaktor pracuje na mocy. Źródło: Wikimedia Commons, opracowanie własne

Bilans neutronów

Wychodzi się z założenia, że podczas rozszczepienia uranu-235 zostanie uwolnione średnio 2,3 neutronu. Przyjmijmy, że mamy do dyspozycji 100 neutronów, i że za ich pomocą rozszczepimy 100 jąder uranu-235. Powstanie 230 nowych, szybkich neutronów. Niektóre z nich (około 20) wydostaną się z rdzenia reaktora, a inne (około 40) zostaną pochłonięte przez jądra uranu bez wywoływania rozszczepienia, tak więc pozostanie 170 neutronów, które zostaną spowolnione przez materiał moderatora.

Niektóre z nich wywołają kolejne rozszczepienia (w sumie około 70) lub zostaną zaabsorbowane przez pręty kontrolne, tak aby w następnej generacji znowu 100 neutronów mogło być wykorzystane do rozszczepień.

A w jaki sposób pręty kontrolne absorbują neutrony?

Absorpcja neutronów w prętach kontrolnych

Pręty kontrolne wykonane są z metali takich jak bor, srebro, ind czy kadm. Metale te silnie pochłaniają neutrony.

Jądra atomowe boru-10 silnie pochłaniają neutrony, przy czym zachodzi reakcja:

$$^{10}_5B + ^1_0n \longrightarrow ^7_3Li + ^4_2He + \gamma$$

Jądra litu i helu, jak również promieniowanie gamma powstają jako produkty reakcji. Jądro helu absorbuje elektrony z otoczenia i przez to staje się gazem, który zbiera się w prętach kontrolnych.

W przypadku kadmu reakcja jest jeszcze łatwiejsza:

$$^{113}_{48}Cd + ^1_0n \longrightarrow ^{114}_{48}Cd + \gamma$$

Tutaj w wyniku pochłonięcia neutronu powstaje cięższy izotop kadmu i promieniowanie gamma. Ze względu na to, że metal, z którego wykonane są pręty kontrolne ulega zmianom wraz z upływającym czasem, to pręty muszą być stale wymieniane - zwykle co sześć lat.