W teorii reakcja łańcuchowa w reaktorze jądrowym wygląda prosto. Jądra atomów materiału promieniotwórczego – na przykład izotopów uranu – bombardowane są neutronami. Gdy neutron trafia w jądro atomu, dochodzi do reakcji rozszczepienia, w wyniku której emitowane są kolejne neutrony i niosące ogromne ilości energii kwanty promieniowania gamma, a samo jądro się rozpada. Zjawisko rozszczepienia jest powszechnie wykorzystywane w reaktorach jądrowych do produkcji energii.

Jednak ten prosty opis w małym stopniu oddaje złożoność procesów fizycznych, jakie zachodzą w reaktorze. A także zagadek, jakie ciągle związane są z jego pracą. Jedną z nich był dyskutowany od dawna fenomen określany efektem pojawiania się klastrów neutronów (ang. neutron-clustering effect).

Co naprawdę dzieje się w reaktorze jądrowym

Miłośnicy serialu „Czarnobyl” doskonale wiedzą, że reaktor jądrowy to skomplikowane urządzenie, którego praca może niekiedy stanowić zagadkę nawet dla jego konstruktorów. Zdarzają się w niej nieregularności skutkujące spadkami lub skokami mocy w poszczególnych częściach reaktora. Do jego wyregulowania służą np. moderatory (w pokazanym w serialu reaktorze RBMK były to pręty grafitowe).

Dlaczego reaktory, których sposób działania wydaje się podlegać precyzyjnym prawom fizycznym, bywają niekiedy narowiste? Na to właśnie pytanie odpowiedź przynoszą nowe badania. Opisujący je artykuł, który pozwoli lepiej symulować pracę reaktorów i przeorganizować systemy bezpieczeństwa, ukazał się właśnie w „Nature Communications Physics”.

Co wspólnego z reaktorami jądrowymi ma Błażej Pascal

Zrozumienie tego, co dzieje się w reaktorach jądrowych, jest istotne z powodu tzw. ruiny hazardzisty. To sformułowanie przypisuje się Błażejowi Pascalowi, XVII-wiecznemu francuskiemu filozofowi, matematykowi i teologowi. Pascal był jednym z pierwszych, którzy zajmowali się prawdopodobieństwem. A konkretnie – grami hazardowymi i tym, jakie są szanse na zwycięstwo ludzi, którzy biorą w nich udział.

Ruina hazardzisty to statystyczna hipoteza mówiąca, że jeśli hazardzista ma 50-procentową szansę na zwycięstwo w pojedynczym zakładzie, to przy odpowiednio dużej liczbie prób, ryzyko ostatecznej przegranej, czyli całkowitego bankructwa, wynosi 100 procent.

Podobne rozumowanie da się przeprowadzić dla procesu zachodzącego w reaktorze atomowym. Jeśli każdy neutron ma 50 proc. szansę na spowodowanie rozszczepienia jądra i doprowadzenie do emisji kolejnego neutronu, wówczas nawet wówczas, gdy reaktor znajduje się w stanie krytycznym (czyli gdy w urządzeniu zachodzi samopodtrzymująca się reakcja rozszczepienia), to w którymś momencie w przyszłości wszystkie wolne neutrony znikną, a reakcja łańcuchowa wygaśnie.

Czy ruina hazardzisty sprawdza się w reaktorach atomowych?

Czy tak faktycznie się dzieje? By to sprawdzić - i to nie za pomocą analizy statystycznej, ale badania tego, co dzieje się w rzeczywistości - naukowcy wykorzystali reaktor jądrowy znajdujący się w nowojorskim Walthousen Reactor Critical Facility. Urządzenie generowało niewiele mocy, co było zasadnicze, bo w dużych reaktorach wykorzystywanych w elektrowniach jądrowych liczba interakcji między neutronami a jądrami atomowymi sięga bilionów.

Naukowcy wykorzystali trzy detektory neutronów, by śledzić losy dosłownie każdej powstającej w reaktorze cząstki. Okazało się, że faktycznie niekiedy w reakcji łańcuchowej pojawiają się klastry neutronów – całe ciągi cząstek pochodzących jedne od drugich. Kiedy indziej neutrony długo nie wywoływały reakcji rozszczepienia (ginęły wchłaniane przez materiały, z których zbudowany jest reaktor, były absorbowane przez moderator, czyli spowalniacz reakcji, albo nawet, co się niekiedy zdarza, były wychwytywane przez paliwo, ale bez reakcji rozszczepienia).

Kiedy zachodzi samoczynna reakcja rozszczepienia jądra atomowego

I to właśnie te efekty odpowiedzialne były za skoki i spadki wytwarzanej mocy. - Podczas pracy reaktora niekiedy pojawiają się całe rodziny neutronów – ciągi cząstek rodzących się w wyniku procesu rozszczepiania jądra atomowego. Kiedy indziej neutrony w ogóle nie doprowadzają do reakcji rozszczepienia, co w sumie skutkuje nieregularnościami w pracy reaktora – opowiada Nicholas Thompson, inżynier pracujący w Los Alamos. – Ten fenomen dyskutowano od lat, nigdy jednak nie obserwowano go w działającym reaktorze – dodaje.

A dlaczego reaktor nie gasł? Hipoteza ruiny hazardzisty okazała się nieprawdziwa z powodu samoczynnej reakcji rozszczepienia jąder pierwiastków promieniotwórczych. Zachodzi ona bardzo rzadko, ale emitowana w ten sposób dodatkowa ilość neutronów wystarcza, by podtrzymywać reakcję łańcuchową w reaktorze.

- Test pozwolił nie tylko odpowiedzieć na zasadnicze pytania dotyczące zachowania neutronów w reaktorze, ale również dostarczył danych pozwalających w przyszłości lepiej symulować pracę reaktora, a być może również projektować skuteczniejsze procedury i systemy bezpieczeństwa w elektrowniach – podsumowuje Jesson Hutchinson, jeden ze współautorów badań.

Źródło: Nature Communications Physics