Pręt kontrolny

Rysunek 1. Reaktor wodny ciśnieniowy z widocznymi prętami regulacyjnymi wystającymi z głowicy reaktora.

Pręt kontrolny jest urządzeniem służącym do pochłaniania neutronów, dzięki czemu reakcja łańcuchowa zachodząca w jądrze reaktora może zostać spowolniona lub całkowicie zatrzymana poprzez dalsze wsuwanie prętów, lub przyspieszona poprzez ich nieznaczne wyjęcie. Zasadniczo pręty kontrolne zapewniają kontrolę procesu rozszczepienia w czasie rzeczywistym, gwarantując, że pozostanie on aktywny, a jednocześnie zapobiegając jego przyspieszeniu poza kontrolą.

Rozszczepienie uranu-235 uwalnia średnio 2,5 neutronu, ale tylko jeden neutron jest potrzebny do podtrzymania reakcji łańcuchowej w stałym tempie. Pręty regulacyjne pochłaniają te dodatkowe neutrony i mogą być używane do regulacji mocy reaktora. Gdy pręty są wsunięte w standardowej ilości, ich pozycja jest w krytyczności i moc wyjściowa pozostaje taka sama. Jeśli pręt zostanie wsunięty do środka, liczba neutronów spada wraz z mocą wyjściową i reaktor znajduje się poniżej stanu krytycznego. Odwrotna sytuacja ma miejsce, gdy pręty są lekko wysuwane, ponieważ rozszczepienie wykracza poza krytyczność. Jest to pokazane na Rysunku 2.

Schemat 2. Schemat pokazujący jak zmienia się moc wyjściowa reaktora w zależności od stopnia wsunięcia prętów kontrolnych (pokazanych na zielono). Po lewej stronie, pręty regulacyjne są wsuwane bardziej niż zwykle, co zmniejsza moc reaktora. Po prawej stronie pręty kontrolne są wkładane w mniejszym stopniu niż zwykle, co zwiększa moc wyjściową.

Projekt

Pręty kontrolne to pręty, płyty lub rury zawierające materiał (taki jak bor lub hafn), który pochłania neutrony. Kilka takich prętów kontrolnych, o wielkości prętów paliwowych, jest rozmieszczonych równomiernie i połączonych na jednym końcu metalowym wspornikiem zwanym pająkiem. Typowe reaktory mogą zawierać około 50 takich klastrów z 20 pojedynczymi prętami kontrolnymi w każdym z nich.

Zdolność prętów kontrolnych do pochłaniania neutronów w celu kontrolowania reakcji łańcuchowej rozszczepienia wymaga wyboru materiału, który ma wysoką zdolność pochłaniania neutronów. Miarą tego, jak dobrze materiał pochłania neutrony jest znany jako jego przekrój poprzeczny absorpcji neutronów, lub , mierzony w stodołach (równy 10-28 metrów kwadratowych). Ogólnie rzecz biorąc, pręty kontrolne są wykonywane z kadmu, hafnu lub wzbogaconego boru.

Prócz wyboru materiału, przy projektowaniu pręta kontrolnego ważne są jego właściwości mechaniczne i koszt. Na przykład bor-10 jest jednym z najlepszych pochłaniaczy neutronów, jednak nie jest idealny do budowy prętów kontrolnych, ponieważ jest niezwykle kruchy. Dodatkowo, naturalny bor musi być wzbogacony, aby uzyskać rozsądny poziom absorpcji, co staje się bardzo kosztowne.

Środki ostrożności

Pręty kontrolne są ważnymi elementami bezpieczeństwa w reaktorach, ponieważ pozwalają użytkownikowi kontrolować wydajność reaktora. W niektórych typach reaktorów, zwłaszcza w reaktorach CANDU, pręty regulacyjne są podtrzymywane przez elektromagnesy. Oznacza to, że w przypadku awarii zasilania lub utraty sygnału pręty sterujące są natychmiast zwalniane i wpadają do rdzenia reaktora pod wpływem siły grawitacji. Zapobiega to kontynuacji reakcji rozszczepienia i działa jako podstawowy system wyłączania w sytuacjach awaryjnych. Ten ruch opadający może być również wywołany ręcznie, jeśli maszyneria utrzymująca pręty w górze ulegnie jakiejś awarii. Kiedy pręty kontrolne są zrzucane do reaktora, jest to proces znany jako scramming. W reaktorach wodnych wrzących konstrukcja jest inna, gdyż pręty regulacyjne muszą być wepchnięte do reaktora, gdyż w tej konstrukcji znajdują się na dnie reaktora.