Reaktywność ujemna - naturalne sprzężenie zwrotne regulujące moc reaktorów PWR i BWR

Chłodzone i moderowane wodą reaktory PWR i BWR dominują w energetyce jądrowej na całym świecie. Cechą, która istotnie przyczyniła się do ich popularności jest ujemna reaktywność, która oznacza naturalny spadek mocy przy wzroście temperatury wewnątrz reaktora. Takie naturalne sprzężenie zwrotne zapewnia stabilność pracy reaktora.

Neutrony, które powstają w wyniku rozszczepienia jądra uranu, mają ogromne prędkości, odpowiadające energii milionów elektronowoltów. Tak prędkie neutrony przeszywają paliwo „nie widząc" ją­der uranu i nie powodując ich rozszczepień.

Aby rozszczepienia uranu mogły nastąpić, neutrony muszą zostać spowolnione dziesiątki milionów razy do energii rzędu setnych części elektronowolta. Spowalnianie nazywamy moderowaniem (moderacją), a substancję spowalniającą, moderatorem.

Zmniejszanie moderacji (zmniejszanie liczby powolnych neutronów termicznych) powoduje wygaszanie reaktora.

W reaktorach PWR i BWR moderatorem neutronów jest woda.  Neutrony prędkie, zderzając się ze znajdującymi się w niej jądrami wodoru, tracą energię kinetyczną i po wielu zderzeniach stają się neutronami termicznymi. Ilość wody dobiera się bardzo starannie. Jeśli jest jej za mało - neutro­ny nie zostaną dostatecznie spowolnione, przenikną przez wodę i pali­wo, i wydostaną się na zewnątrz rdzenia, nie powodując rozszczepień. Jeśli wody będzie za dużo, to będzie ona zbyt silnie pochłaniać neutro­ny, prowadząc do wygaśnięcia reakcji rozszczepienia.

Reaktywność ujemna - naturalne sprzężenie zwrotne regulujące moc
Woda zamieniając się w parę traci zdolność spowalniania neutronów
  • Ilości wody i paliwa są starannie obliczane i dobierane tak, by przy normalnej temperaturze pracy zapewniały najskuteczniejsze spowalnianie neutronów i najwyższą wydajność reakcji rozszczepienia.

 

  • Para jest o wiele gorszym moderatorem neutronów niż woda, więc podgrzanie i odparowanie wody zmniejsza liczbę spowolnionych neutronów; część szybkich neutronów ucieka z rdzenia i jest pochłaniana przez otoczenie, a te które wrócą do rdzenia, raczej nie spowodują kolejnych rozszczepień jąder uranu.

 

  • Liczba rozszczepień w rdzeniu zmniejszy się i nastąpi samorzutne wygaszanie reakcji łańcuchowej rozszczepienia.

Reaktywność ujemna to bardzo ważna cecha zapewniająca stabilność pracy reaktorów PWR i BWR. Tej stabilności brakowało reaktorowi RBMK w Czarnobylu.

 

Reaktywność ujemna - naturalne sprzężenie zwrotne regulujące moc