Neutrony reaktorowe

Temat: Neutrony reaktorowe
Mirosław Kwiatek
.Ciężka woda – czy szkodliwa?
.Czy paliwo jądrowe można na zapas wyprodukować?
Reaktory atomowe (jądrowe) potrzebują oprócz izotopu rozszczepialnego (np. uranu) jeszcze
2 materiałów o (przeciwstawnych) cechach:
1) tzw moderatorów „odbijających” (rozpraszających, spowalniających neutrony (np.
beryl Be)
2) materiałów pochłaniających neutrony tzn wchodzących z nimi w reakcje jądrowe (np.
bor B albo kadm Cd)
Dlaczego stosuje się neutrony powolne i co to znaczy?
Np. podczas rozszczepiania izotopu 238U (naturalnego, niekorzystnego) powstają neutrony
o energii 2 MeV a trzeba ją zmniejszyć do 0,025 eV (2,2 km/s), dla temp. 20 oC, a więc
prawie 100 mln razy!
Pędzące (z prędkością v) neutrony (1n(q=0)) tworzą falę materii de Broglie’a o długości
h/m
1
= v
gdzie m = masa jądra
)
Niech R będzie promieniem jądra.
Neutronowe fale materii ulegają dyfrakcji jak inne fale (np. elektromagnetyczne światło czy
fale w ośrodkach). Jak wiadomo dyfrakcja nie zajdzie gdy rozmiary centrów dyfrakcyjnych są
dużo większe niż długość fali. Jeśli dyfrakcja nie zajdzie to nastąpi rozproszenie. Dla fali
neutronowej dyfrakcja nie zajdzie więc gdy:
h/m
R >>  =
v
h/m
Czyli gdy po przekształceniu: v >> R (uwaga na znaki!)
A więc dyfrakcja nie zajdzie dla neutronów prędkich
czyli: dla neutronów prędkich nastąpi rozproszenie
albo jeszcze inaczej: dla neutronów prędkich prawdopodobieństwo nastąpienia reakcji
jądrowej jest małe!
Stwierdzono, ze pochłanianie neutronów przez jądra (czyli zachodzenie reakcji jądrowych) zachodzi
szczególnie intensywnie dla pewnych określonych energii neutronów (ma to więc związek z maksimami
interferencyjnymi promieniowania neutronowego podyfrakcyjnego)
Neutron o dowolnie małej energii może wywołać reakcję jądrową bo jako obojętny
elektrycznie nie musi pokonywać odpychania jądra.
Spowalnianie neutronów
Spowalniania neutronów dokonuje się (zazwyczaj) przez obecność materiału nie
wchodzącego w reakcje jądrowe z neutronami a jednocześnie o małej liczbie porządkowej
(atomowej) Z. W obecności nie reagującego materiału neutrony będą się zderzać sprężyście z
jądrami tracąc za każdym razem swą energię (kinetyczną). Po kilkudziesięciu (kilkunastu w
jednym przypadku) uderzeniach neutrony wytracą wystarczająco prędkość. Prędkość wytracą
tym bardziej im będzie mniejsza masa jądra moderatora.
W temacie o asyście grawitacyjnej wyprowadzony był wzór:
m-M
V2 = V1
M+m
gdzie
M było masą planety (teraz jądra)
m – masą próbnika (teraz neutronu)
v1 – prędkością próbnika (neutronu) przed zderzeniem
v2 - …. Po zderzeniu
Zakładamy M >> m a wtedy v2 = - v1
Ale gdy założymy m = M w przybliżeniu, to v2 = 0.
(Przy zderzeniach niecentralnych jest jednak średnia strata 63 % a nie 100 %)
Ponieważ masa protonu (jako jądra wodoru) jest najmniejsza to w pierwszym odruchu
wzięlibyśmy więc na moderator wodór (wystarczyło by tylko 18 zderzeń). Ale wodór reaguje
z neutronem (ma duży tzw. przekrój czynny na absorpcję) tworząc deuter (trwały nieradioaktywny) – jeden z izotopów wodoru. Jest to reakcja: 1H(q=1) + 1n(q=0) = 2H(q=1) =
2
D(q=1) = D
Ewentualnie wodór moglibyśmy wziąć jako moderator ale gdy go zwiążemy (chemicznie)
np. w parafinę gdzie go jest dużo
Następnym kandydatem (Z = 2) byłby hel He Hel praktycznie nie reaguje jądrowo ale jako
gaz ma niewygodną, małą gęstość.
Z = 3 ma lit Li ale mocno reaguje jądrowo
Wartość Z = 4 ma beryl Be. Słabo reaguje jądrowo i jest stałego stanu skupienia i
właśnie on jest b. dobrym moderatorem (szczególnie w związkach) Jest niestety drogi
Mający Z = 5 bor B reaguje jądrowo bardzo mocno
Następny w układzie Mendelejewa węgiel (Z = 6) słabo reaguje jądrowo, jest stanu stałego i
jest tani (choć musi występować w czystej postaci grafitu). Jest (był) stosowany jako
moderator. Niestety jest palny (Czarnobyl!)
Azot też reaguje jądrowo (choć niezbyt mocno)
Z = 8 ma tlen O bardzo słabo reaguje jądrowo ale niestety jest gazowy. Można go jednak
związać w mającą lepszą gęstość (koncentrację) ciecz w postaci wody z wodorem, a jeszcze
lepiej – z deuterem. Otrzymamy dobry moderator (który dodatkowo może chłodzić jako płyn)
zwany ciężką wodą D2O
Ciężka woda (nie jest radioaktywna ale) nie podtrzymuje życia. Wszelkie życie w niej zamiera. Nie rozwijają
się w niej bakterie ani żadne drobnoustroje. Powoduje to też, że jest słabo toksyczna.
l ciężkiej wody można otrzymać (np. przez odwirowanie) ze 100 tys litrów wody zwykłej; Stąd wysoka cena.
Moderatory wspomagane są reflektorami wykonanymi z tych samych materiałów Po
wielokrotnych zderzeniach peryferyjnych z atomami reflektora neutrony doznają tak dużej
zmiany kierunku ruchu, że część z nich wraca do miejsca skąd przybyły – stąd nazwa
reflektor
Materiały pochłaniające neutrony (na pręty sterujące, regulacyjne, bezpieczeństwa)
(Neutrony o małych energiach oddziaływają szczególnie silnie z jądrami, których powłoki elektronowe nie są zapełnione)
Wspominany już bor B (Z = 5) reaguje jądrowo wyjątkowo silnie z neutronami.
Dla porównania, wspomniany wyżej przekrój czynny na absorpcję wynosi dla boru 755 a dla pozostałych z
pierwszej dziesiątki wymienionej powyżej:
H – 0,33
D – 0,0005
He – 0,000
Li – 71
Be – 0,01
C – 0,0032
N – 1,7
O – 0,0002
Przykładowe reakcje dla boru i kadmu (Z = 48):
10
B(q=5) + 1n(q=0) = 4He(q=2) + 7Li(q=3)
Cd(q=48) + 1n(q=0) = 114Cd(q=48) + 
113
Inne ciekawsze reakcje neutronowe:
14
N(q=7) + 1n(q=0) = 14C(q=6) + 1p(q=1)
W tej reakcji z azotem powstaje izotop węgla radioaktywnego (oprócz wodoru) dla potrzeb
datowania arche; Ten nietrwały izotop ma T1/2 = 5568 lat czyli okres połowicznego rozpadu
rzędu takiego jak okres istnienia cywilizacji
6
Li(q=3) + 1n(q=0) = 4He(q=2) + 3H(q=1)
W tej reakcji z litem powstał następny izotop wodoru – tryt (nietrwały - radioaktywny).
Można tu wspomnieć, że 1H nosi nazwę: prot
Oczywiście najważniejsze są reakcje neutronu z jądrami ciężkimi:
238
U(q=92) + 1n(q=0) = 239U(q=92) = 23 min = 239Np(q=93) + 0e(q=-1)
Np(q=93) = 2,3 dnia = 239Pu(q=94)
Otrzymaliśmy tu z praktycznie bezużytecznego (nadaje się do użytku dopiero po
sporządzeniu 20 % koncentratu bo normalnie jest go b. mało w rudzie ) izotopu 238 uranu,
który najczęściej spośród izotopów tego pierwiastka występuje w przyrodzie bardzo dobre
paliwo jądrowe w postaci izotopu (239) plutonu. Dobre po pierwsze dlatego, że ma b. długi
czas (połowicznego) rozpadu: 24 400 lat a więc nie ma problemu z wytwarzaniem go na
zapas. Po drugie, jego reakcja jądrowa z neutronem, może dać też dobre paliwo, jedno z
lepszych z uranowych – izotop 235:
239
Pu(q=94) = 235U(q=92) + 4He(q=2)
Poza tym reakcja plutonu z neutronem może dać więcej neutronów (2) a więc może być
lawinowa:
239
Pu(q=94) + 1n(q=0) = 21n(q=0) +( AXq + 239-2-AY(94-q))
Gdzie X oraz Y są jakimiś dwoma produktami (pierwiastkami lżejszymi) rozpadu
Oprócz uranu i pluton był używany do bomb atomowych
239
Jeszcze lepsza reakcja jest z torem 232. Toru jest więcej w przyrodzie niż uranu:
Th(q=90) + 1n(q=0) = 233Th(q=90) = 22 min = 233Pa(q=91) + 0e(q=-1)
233
Pa(q=91) = 27,4 doby = 233U(q=92) + 0e(q=-1)
Izotop 233 uranu ma też dobry do magazynowania duży okres połowicznego rozpadu 16 300
lat. Reakcja jego wykorzystania:
233
U(q=92) + 1n(q=0) = 21n(q=0) +( AXq + 233-2-AY(92-q))
232
Źródła neutronów
Są to np. izotopy bombardowane podwójnie zjonizowanymi atomami helu czyli cząstkami
 albo naświetlane promieniowaniem .Cząstki a są samorzutnie wyrzucane przez radon a
promieniowanie  emitowane jest głównie przez tor.
Cząstki  bombardują jądra pierwiastka o małym Z aby jądro nie za mocno odpychało
cząstkę . Znów okazuje się tu dobry beryl:
9
Be(q=4) + 4(q=2) = 1n(q=0) + 12C(q=6) + 5 MeV
2007-07-19/26