Podstawowe procesy Wstęp Oddziaływanie neutronów z materią Rozszczepienie Procesy w reaktorze   Wstęp Jądro atomowe jest niezwykle skomplikowanym układem kwantowym wielu cząstek zwanych nukleonami do których zaliczają się proton (o ładunku dodatnim i masie spoczynkowej mp =938) oraz neutron (pozbawiony ładunku, mn=939MeV). Cząstki te mogą tworzyć jądro dzięki oddziaływaniom silnym o małym zasięgu (rzędu wielkości jądra), które ma charakter wymienny. Samo jądro ma wymiary rzędu 10^-15 m. Jedną z najważniejszych cech jąder atomowych z punktu widzenia wykorzystania użytkowego jest tzw. defekt masy tj. fakt, że suma mas składników jądra (nukleonów) jest większa od masy samego jądra wyznaczonej doświadczalnie za pomocą metod spektroskopii masowej. Owa brakująca masa jest wykorzystana na energię wiązania jądra (zgodnie ze wzorem E=mc2). Energię wiązania można łatwo obliczyć posługując się wzorem: gdzie  Mn i Mp są masami neutronu i protonu odpowiednio, a Mj to zmierzona masa jądra. Energia wiązania jąder zależy głównie od liczby masowej jądra, należy zauważyć iż szczególnie duże wartości mają jądra tzw. magiczne które mają liczbę protonów bądź neutronów równą 2, 8, 28, 50, 82, bądź 126 (istnieją także jądra podwójnie magiczne - te są szczególnie silnie związane) . Jednakże szczególnie ważną wielkością opisującą stopień związania jądra jest energia wiązania przypadająca na jeden nukleon w zależności od liczby masowej [1]: Wykres ten ma kluczowe znaczenie jeżeli chodzi o wykorzystanie energii ukrytej w atomie. Widać bowiem, że  powyżej pewnej wartości A (około 60) opłacalne energetycznie okazuje się być rozszczepienie jądra na dwa fragmenty! Dzieje się tak dlatego, że jądra najcięższe związane są słabiej niż jądra o (w przybliżeniu) dwukrotnie mniejszej liczbie masowej, zatem w procesie rozszczepienia jest wyzwalana różnica tych energii wiązania.  Reaktorem jądrowym nazywa się urządzenie wykorzystujące reakcje rozszczepienia do produkcji energii. Zanim jednak zostanie opisany proces rozszczepienia oraz sposób wykorzystania tego procesu, należy zapoznać się z kilkoma pojęciami, które trzeba znać, aby zrozumieć w pełni powyższe zagadnienia. Najważniejszym jest pojęcie reakcji jądrowej - jest to przemiana zachodząca przy zderzeniu dwóch  jąder (jądra i cząstki) X1 i X2 , w wyniku której może powstać wiele jąder końcowych Y1, Y2 i cząstek b1, b2:     X1 + X2 =Y1 + Y2  + ... b1  + b2+ ... Lewą stronę równania nazywa się kanałem wejściowym, a prawą stronę wyjściowym. Gdy w kanale zarówno wejściowym, jak i wyjściowym są tylko dwie cząstki, to jest najprostszy przypadek - reakcja dwuciałowa. Zasadniczo istnieją dwa rodzaje reakcji jądrowych - reakcja bezpośrednia i reakcja przez jądro złożone. Pierwsza z nich to taka która jest procesem jednostopniowym, druga natomiast, o wiele bardziej skomplikowana, składa się z dwóch części: pierwsza to zaabsorbowanie przez jądro tarczy padającej cząstki i wytworzenie wzbudzonego ,nietrwałego jądra, druga natomiast to rozpad tego jądra na fragmenty, przy czym emisja cząstek jest izotropowa - nie ma zależności pomiędzy cząstką padająca a cząstkami wytworzonym z jądra złożonego. Drugą ważną w fizyce reaktorów (i ogólnie w fizyce cząstek) wielkością  jest przekrój czynny, który można interpretować jako prawdopodobieństwo zajścia danej reakcji jądrowej.  Powrót       Oddziaływanie neutronów z materią Część ta traktuje o reakcjach jądrowych  z udziałem neutronów, jako że reakcje te mają kluczowe znaczenie dla fizyki reaktorów. szczególnie ważne są reakcje, w których neutron zderza się z jądrem pierwiastka ciężkiego (np. U-235) i powoduje powstanie jądra złożonego ,co prowadzi z kolei do reakcji, które można podzielić na ogólnie na cztery podstawowe kategorie [2]:  -rozpraszania (sprężystego i niesprężystego) Polega ono na emisji przez jądro złożone jednego neutronu (nie koniecznie tego samego, który uderzył w jądro). W zależności od tego czy energia wewnętrzna jądra się zmieniła czy też nie, mówi się o rozpraszaniu niesprężystym bądź sprężystym, odpowiednio. Oczywiście w przypadku zderzenia sprężystego oznacz to, że cząstka i jądro wymieniły jedynie swoje energie kinetyczne.   W konstrukcji reaktora o wiele ważniejszym procesem jest rozpraszanie sprężyste, gdyż prowadzi do spowalniania (termalizacji) neutronów. Rysunek poniżej przedstawia przekrój czynny na rozpraszanie neutronów na węglu ^12C: Na wykresie widać wyraźnie dwie strefy rozpraszania: potencjalną i rezonansową, przy czym nalezy zauważyć, że strefa potencjalna nie jest związana z powstaniem jądra złożonego (cały rysunek jest przytoczony dla pełności obrazu)  Dla jąder ciężkich strefa rezonansowa zaczyna się już przy wartości energii neutronów ok. 6 eV. Oczywiście największa (i najbardziej pożądana) wymiana energii między jądrem i neutronem zachodzi dla zderzania centralnego. Analizując wartość współczynnika zderzenia (będącego wprost proporcjonalnym do traconej przez neutron energii) okazuje się, że najlepszym materiałem spowalniającym jest jądro wodór, bądź materiał zawierający dużo tego pierwiastka (woda, ciężka woda).    -absorpcji (wychwyt radiacyjny (n,γ i absorpcja z emisją cząstek naładowanych) Wychwyt radiacyjny polega na pochłonięci przez jądro neutronu i emisji fotonu γ Przekrój czynny na wychwyt radiacyjny ma wyraźną strukturę rezonansowa w zakresie niskich energii.  -reakcji typu (n,2n) i (n,3n) -reakcję rozszczepienia Reakcja rozszczepienia jąder ciężkich polega na podziale jądra na dwa nowe jądra zwane fragmentami rozszczepienia. Może być to spowodowane bądź poprzez bombardowanie jądra cząstkami o energii wyższej niż energia progowa (neutronami, kwantami gamma - najlepiej, gdyż jako cząstki neutralne nie muszą tracić energii na pokonywanie bariery kulombowskiej), bądź też (rzadziej) proces ten może zajść samoistnie .Należy od razu podkreślić, że czas połowicznego zaniku ze względu na samorzutny rozpad wynosi np. dla uranu aż 10^16 lat (gdyż produkty rozszczepienia muszą pokonać barierę kulombowską o znacznej wysokości). Sytuacja inaczej ma się w przypadku rozszczepień spowodowanych przez bombardowanie jąder innymi cząstkami. Najlepiej, aby cząstki te były neutralne, gdyż wtedy nie muszą tracić energii na pokonywanie bariery kulombowskiej, naturalnym wyborem wydaje się być użycie neutronu (bądź kwantu gamma - o czym dalej). Reakcje te charakteryzuje istnienie energii progowej którą musi posiadać cząstka aby mogła doprowadzić do rozszczepienia. Na energię tę składają się energia wiązania jądra w tworzonym jądrze złożonym (bo neutron wnika do jądra) i energia kinetyczna ruchu względnego. Przykładowe dane dla kilku nuklidów pokazuje poniższa tabela [1]:  Jądro złożone ulegające rozszczepieniu Energia progowa na  rozszczepienie, MeV    Energia wiązania neutronu         w jądrze złożonym, MeV Th-233 6,5 4,96 Pa-232 6,0 5,52 U-236 5,8 6,54 U-239 6,3 4,78 Np-237 5,6 6,74 Pu-240 4,8 6,52 Reakcji rozszczepienia towarzyszy wydzielanie dużej ilości energii oraz emisja neutronów i kwantów γ. Cząstki te mogą być emitowane w momencie reakcji (neutrony i fotony natychmiastowe), bądź neutrony i fotony opóźnione, biorące się stąd, że fragmenty powstałe w wyniku rozszczepienia są obarczone nadmiarem neutronów, a więc promieniotwórcze, cząstki opóźnione są więc produktami tych reakcji. O roli tych cząstek w fizyce reaktorów, a także dokładniej o przebiegu samej reakcji mówi następny rozdział.  Powrót      Rozszczepienie Podstawową sprawą, zanim przejdzie się do omawiania szczegółów procesu rozszczepienia jest rozróżnieni izotopów promieniotwórczych na rozszczepialne i paliworodne, a także podanie przekrojów czynnych na rozszczepienie dla dwóch najważniejszych z nich. Izotopy rozszczepialne to takie, które łatwo ulegają rozszczepieniu pod wpływem neutronów termicznych (U-235, U-233, Pt239), natomiast paliworodne to takie, z których otrzymuje się izotopy rozszczepialne w wyniku bombardowania ich neutronami (Th-232, U-238). Dwa poniższe wykresy  mają zasadnicze znaczenie dla działania reaktora jądrowego [2] : Jak widać przekrój czynny na rozszczepienie U-235 (lewa część) w zakresie energii 1eV - 1keV (energie termiczne) ma strukturę rezonansową z maksimum dla E=0.025eV wynoszące 577b. Natomiast rozszczepienie U-238 (prawa część) ma charakter progowy, tzn. zachodzi, gdy energia neutronu jest większa od pewnej wielkości zwanej energią progową, jak widać wartości tych energii są kilka rzędów wielkości większe niż dla U-235, natomiast przekroje czynne są znacznie mniejsze. Widać więc, że U-235 jest materiałem o wiele bardziej rozszczepialnym niż U-238.   Po tym wstępie można już przyjrzeć się bliżej produktom procesu rozszczepienia. Podstawowymi produktami są dwa lżejsze jądra, których masy są w przyblizeniu równe. W momencie zajścia reakcji emitowane są również cząstki natychmiastowe, neutrony i kwanty γ , co jest widoczne na poniższej animacji [b]: Neutron o odpowiedniej do spowodowania rozszczepienia energii uderza w jądro, wnika do niego, powstaje krótkotrwały stan jądra złożonego, które jest wzbudzone, co następnie prowadzi do fragmentacji i rozszczepienia na dwa główne fragmenty oraz emisję innych cząstek - głównie neutronów i kwantów gamma. Również fragmenty emitują cząstki aż do uzyskania stanu stabilnego.          Natychmiastowe to takie, które są emitowane w czasie rzędu 10^-17s. Ilość  emitowanych neutronów w pojedynczym akcie rozszczepienia waha się od 0 do ok.5, istotną wielkością jest średnia liczba neutronów (natychmiastowych i opóźnionych) na jedno rozszczepienie; dla jąder U-235 jest to zależność funkcyjna energii. Należy zauważyć, że widmo energetyczne neutronów natychmiastowych jest ciągłe, z wartością średnią energii E=1.98MeV [2]:   Neutrony natychmiastowe stanowią ponad 99% całkowitej liczby neutronów. Natychmiastowe kwanty γ maja również widmo ciągłe ,jednakże mają one o wiele mniejsze znaczenie niż neutrony, dlatego też nie przedstawiono ich rozkładu. O wiele większe znaczenie mają za to neutrony opóźnione. Jest ich niewielka liczba (<1%), są emitowane w dłuższym okresie, aż do kilku minut po rozszczepieniu. Są emitowane nie z jądra złożonego, ale w wyniku rozpadu promieniotwórczego fragmentów rozszczepienia. Izotopy emitujące neutrony opóźnione zwane są prekursorami. O roli neutronów opóźnionych będzie mowa przy omawiani kinetyki reaktora. Na zakończenie, znając już produkty pojedynczego aktu rozszczepienia, można już podać jego bilans energetyczny [1]: Rodzaj energii     U-235    Pu-239    U-233 Energia kinetyczna produktów rozszczepienia 165 172 163 Energia kinetyczna emitowanych neutronów 5 6 5 Emisja γ podczas rozszczepienia 8 7 7 Emisja  podczas rozpadu produktów rozszczepienia      9 9 9 Emisja g z produktów rozszczepienia 7 7 7 Energia całkowita 194 201 191 Jak widać wydzielające się energie na jeden rozpad są znaczne, dlatego następny rozdział poświęcony jest temu, w jaki sposób wykorzystać te energie w skali makroskopowej.  Powrót   Procesy w reaktorze -reakcja łańcuchowa Poprzedni rozdział traktował o procesie rozszczepienia jako o procesie fizycznym. Omówiony był jednakże jedynie poszczególny akt rozszczepienia. Z podanej tam tabeli bilansu energetycznego widać, że już pojedyncze rozszczepienie jest procesem wyjątkowo korzystnym energetycznie. Z poprzednich rozdziałów wiadomo też, że rozszczepienie może być spowodowane przez bombardowanie neutronami. Na przykład U-235 ma szczególnie duży przekrój czynny na rozszczepienie za pomocą neutronów. Z bilansu energetycznego wynika po pierwsze, że na jeden akt rozszczepienia przypada średnio 2.4 neutrona, po drugie neutrony te mają znaczne energie. Można już złożyć wszystkie te informacje razem i wprowadzić pojęcie reakcji łańcuchowej. Otóż, jeżeli wziąć ośrodek wypełniony jądrami np. U-235, to po zajściu pierwszego rozszczepienia powstałe neutrony mają szanse wywołać średnio dwa kolejne akty, każdy z powstałych znowu dwa, powstała w ten sposób lawina nosi nazwę reakcji łańcuchowej, dobrze obrazuje to poniższy schematyczny rysunek [e]: Jak było to powiedziane w tekście, każde     jądro U-235 rozpadając się na dwa fragmenty  x, y emituje również od 0 do 5 neutronów, które powodują rozszczepienia dalszych jąder. Raz zapoczątkowany w ten sposób proces rozchodzi się w czasie tworząc postęp geometryczny.          Od razu należy zwrócić uwagę na dwa problemy. Po pierwsze, jak widać z wykresu zależności przekroju czynnego na rozszczepienie U-235 od energii padających neutronów najkorzystniejsze są neutrony o energiach termicznych, neutrony natychmiastowe (co widać z ich widma ) mają energię najbardziej prawdopodobną około 0.7 MeV. Dlatego tez należy maksymalnie obniżyć ich energie. Z przedstawionego we wcześniejszym rozdziale wykresu przedstawiającego przekrój czynny na rozpraszanie neutronów dla węgla można się dowiedzieć, że istnieją substancje (woda, węgiel, beryl), które w wydajny sposób spowalniają neutrony do odpowiednio niskich energii. Substancje taką nazywa się moderatorem i jest to jedno z najważniejszych pojęć jeżeli chodzi o fizykę reaktorów. drugim wspomnianym problemem jest warunek na to, ażeby reakcja łańcuchowa mogła się rozwijać bez interwencji z zewnątrz, tj. aby była samopodtrzymująca się. Podstawowym warunkiem jest oczywiście aby w pojedynczym akcie rozszczepienia powstawał przynajmniej jeden neutron zdolny doprowadzić do rozszczepienia jądra, jednakże dotyczy to materiału idealnie czystego o nieskończonych wymiarach geometrycznych. W rzeczywistości podczas reakcji łańcuchowej ponoszone są straty związane z absorpcją neutronów w  atomach domieszek i zanieczyszczeń zawartych w paliwie oraz innych elementach konstrukcyjnych, a także z uwagi na skończone rozmiary paliwa niektóre neutrony mogą opuścić obszar nie wywołując reakcji. Aby nie dopuszczać do takiej sytuacji stosuje się substancje zwane reflektorami, które są zbudowane z materiałów "odbijających" neutrony z powrotem do obszaru paliwa.  Dlatego najważniejszym warunkiem na istnienie samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej jest przekroczenie przez paliwo pewnej masy zwanej krytyczną tj. takiej minimalnej ilości materiału rozszczepialnego, który umożliwia jej rozwój. Zależy ona od  geometrycznych rozmiarów materiału, rodzaju izotopu, zanieczyszczeń i domieszek. Przed przejściem do dalszych szczegółów podane informacje są już wystarczające aby przedstawić podstawowy model budowy reaktora jądrowego [e]: Legenda: 1.Osłona biologiczna 2.Osłona ciśnieniowa 3.Reflektor neutronów 4.Pręty bezpieczeństwa 5.Pręty sterujące 6.Moderator 7.Pręty paliwowe  8.Chłodziwo   Jak powiedziano wcześniej, reakcja łańcuchowa jest reakcją typu lawinowego, tj. ilość rozszczepionych jąder na jednostkę czasu rośnie w czasie. Jest to oczywiści zjawisko nie tylko niepożądane, ale niezwykle groźne. Dlatego też pojecie krytyczności reaktora jest podstawowym zagadnieniem jeżeli chodzi o obsługę tego urządzenia. Reaktor jest w stanie krytycznym, jeżeli produkcja neutronów jest równa ich destrukcji (absorpcja + ucieczka) - niekiedy stosunek tych dwóch wielkości oznacza się współczynnikiem k,  k=1 oznacza stan krytyczny. Gdy k>1 stan reaktora jest nadkrytyczny, jego moc rośnie w czasie i jeżeli reakcja nie zostanie zatrzymana może dojść do poważnej awarii. Dla stanu podkrytycznego k<1, wówczas wydzielana w reaktorze moc maleje w czasie do zera. Sterowanie reaktorem polega więc na wpływanie na poziom neutronów w reaktorze tak, aby znajdował się on w stanie krytycznym. Do tego wykorzystuje się fakt istnienia materiałów, które mają duży przekrój czynny na pochłanianie neutronów (np. bor, kadm). Za pomocą wykonanych z takich materiałów prętów sterujących (regulacyjnych) utrzymuje się pożądany poziom neutronów. Na takiej samej zasadzie służą pręty bezpieczeństwa (awaryjne), z tym, że używa się ich do awaryjnego wyłączenia reaktora. Należy zauważyć, że odpowiednio sterując prętami regulacyjnym można uzyskać stan krytyczny reaktora na różnym poziomie mocy, ograniczonym jedynie wydajnością odprowadzania ciepła. Moc zależy bowiem od wielkości strumienia w rdzeniu, tak więc podnosząc pręty i pozwalając aby przez pewien czas k było większe od 1, strumień ten zwiększa się, a po opuszczeniu prętów do początkowego poziomu strumień ustala się na wyższym poziomie dając odpowiednio wyższą moc ustaloną (oczywiście dzieje się tak tylko wtedy, gdy reaktor ma "zapas" paliwa, tj. jego masa jest większa od masy krytycznej). Strumień neutronów i moc reaktora nie zależą więc od położenia prętów regulacyjnych, prętami reguluje się tylko prędkość zmiany mocy. Wprowadzono wielkość zwaną reaktywnością dany przez wyrażenie ρ(k-1)/k,  gdy ρ reaktor pozostaje na stałym poziomie mocy, gdy ρ>, moc rośnie a dla ρ moc maleje. Na podstawie  tej wielkości określa się prędkość wyjmowania prętów z reaktora, aby zbyt gwałtownie nie przechodził on do stanu nadkrytycznego. Mówiąc o wydzielaniu się mocy w reaktorze należy powiedzieć o sposobach odprowadzanie ciepła z rdzenia. Energia wydzielona w procesie rozszczepienia jest głównie energią kinetyczną fragmentów rozszczepienia która w oddziaływaniu z atomami paliwa zamienia się w energie cieplną, podobnie neutrony prędkie wytracając prędkość w moderatorze oddają energię w postaci ciepła. Widać więc, że większość energii wydziela się w rejonie bliskim miejscu rozszczepienia, a więc paliwa, co przy zbyt wysokiej temperaturze może być niebezpieczne. Dlatego też należy to ciepło odprowadzić. Chłodziwem są najczęściej substancje mające mały przekrój czynny na chwytanie neutronów (np. woda - zwykłą i ciężka, ciekły sód, hel, dwutlenek węgla). I właśnie w tym miejscu pojawia się możliwość wykorzystania mocy zamkniętej w jądrze atomowym. Ciepło to jest bowiem używane w elektrowniach jądrowych do tworzenia pary poruszającej turbinę wytwarzającą z kolei prąd elektryczny, co widać na poniższym schemacie [6]:  Przedstawiony tu schemat obiegu wody jest charakterystyczny dla reaktorów typu BWR, dla innych typów jest nieco bardziej skomplikowany, ale sama idea jest taka sama dla wszystkich reaktorów energetycznych. Poniższy schemat natomiast przedstawia przykładowy schemat realizacji takiego obiegu - elektrownia jądrowa [e]:  Widać więc, że rzeczywiście możliwe jest wykorzystanie procesów zachodzących na poziomie jądra atomowego do produkcji energii na skalę przemysłową. Powrót © Krzysztof Zberecki Aktualizacja: .

---