Absorbátory neutronů jsou látky, které obsahují izotopy s vysokou schopností pohltit neutron. Z pohledu jaderné energetiky jsou zásadním prvkem pro řízení štěpné řetězové reakce^[1] v jaderném reaktoru, kde podle potřeby absorbují neutrony. Absorbátory se nachází jak v řídicích, tak havarijních prvcích reaktoru. Nejčastějšími absorbátory jsou bór a kadmium nebo gadolinium^[2].

V jaderném reaktoru se získává energie štěpením jader vhodných izotopů. Jako příklad lze uvést běžné palivo uran ${\displaystyle {\ce {^{235}_{92}U}}}$ a jeho jednu z mnoha štěpných reakcí^[3]:

${\displaystyle {\ce {^{1}_{0}n + ^{235}_{92}U -> ^{144}_{56}Ba + ^{89}_{36}Kr + 3^{1}_{0}n + E_{f}}}}$

Člen ${\displaystyle {\ce {E_{f}}}}$ vyjadřuje množství energie uvolněné při jednom štěpení. Pro uran platí ${\displaystyle {\ce {E_{f}\approx 200 MeV}}}$^[4].

Z rovnice vyplývá, že z jednoho neutronu vznikají štěpením tři nové (průměrně 2,43^[5] pro uran), které se mohou účastnit další štěpné reakce. Pokud by nedocházelo k regulaci počtu neutronů, rostlo by jejich množství exponenciálně^[6]. Stejně tak by se uvolňovalo víc štěpné energie a docházelo by k enormnímu vývinu tepla. Takový stav je nežádoucí a může vést k havárii, proto je třeba neutrony absorbovat.

Když se neutron pohybuje prostředím, může interagovat dvojím způsobem^[5]:

• rozptyl: neutron se odrazí od terčového jádra
• absorpce: neutron je pohlcen v terčovém jádře

Míru pravděpodobnosti obou jevů určuje mikrosopický účinný průřez pro rozptyl ${\displaystyle \sigma _{s}}$ a pro absorpci ${\displaystyle \sigma _{a}}$. Každý izotop má určité hodnoty ${\displaystyle \sigma _{s}}$ a ${\displaystyle \sigma _{a}}$, které vyjadřují vliv daného izotopu na tok neutronů. Absorbátory jsou tedy látky s vysokou hodnotu ${\displaystyle \sigma _{a}}$. Stejně tak jaderné palivo musí mít schopnost absorbovat neutron, aby mohlo dojít ke štěpení. Naproti tomu konstrukční materiály, pokud nemají zasahovat do neutronové bilance reaktoru, musí mít co nejmenší ${\displaystyle \sigma _{a}}$.

Když dojde k pohlcení neutronu v terčovém jádře, nastává jeden z následujících procesů^[5]:

• radiační záchyt ${\displaystyle (n,\gamma )}$: neutron je pohlcen v jádře a přebytečná energie je vyzářena jedním nebo více fotony gama záření
• záchyt s vyzářením částice ${\displaystyle (n,\alpha )/(n,p)}$: neutron je pohlcen a dojde k odštěpení ${\displaystyle \alpha }$ částice nebo protonu
• štěpení ${\displaystyle (n,f)}$: zásadní reakce pro jadernou energetiku, pohlcením neutronu vznikne nestabilní izotop, který se rozpadne a uvolní energii

O tom, jakým způsobem je neutron pohlcen, rozhoduje především izotop terčového jádra. Dále hraje roli energie neutronu a pravděpodobnost. Všechny jevy probíhají jen s určitou mírou pravděpodobnosti vyjádřenou odpovídajícími miskroskopickými průřezy.

Tepelný výkon reaktoru je úměrný počtu štěpení v aktivní zóně a tím i neutronovému toku. Regulací neutronového toku lze řídit výkon reaktoru. Veličina popisující odchylku od kritického stavu se nazývá reaktivita a značí se ${\displaystyle {\ce {\rho}}}$. Platí následující^[6]:

• ${\displaystyle {\ce {\rho < 0}}}$: podkritický reaktor, výkon se snižuje a neutronový tok klesá
• ${\displaystyle {\ce {\rho = 0}}}$: kritický reaktor, výkon ani neutronový tok se nemění
• ${\displaystyle {\ce {\rho > 0}}}$: nadrkitický reaktor, výkon i neutronový tok rostou

Při změně výkonu, odstavení anebo najetí reaktoru je potřeba měnit reaktivitu aktivní zóny. K tomu se v reaktorech používají regulační tyče vyrobené z absorbujícího materiálu. Zasunutím regulačních tyčí se vnáší záporná reaktivita a výkon klesá.

V rámci jedné palivové kampaně v reaktoru probíhají procesy, které snižují reaktivitu. Hlavně se uplatňuje:

• vyhořívání paliva: úbytek štěpných jader v palivu a tím oslabování neutronového toku
• zastruskování reaktoru: v reaktoru se množí štěpné produkty, z nichž některé absorbují neutrony

Aby reaktor mohl pracovat po celou dobu kampaně, musí se vysoká reaktivita čerstvého paliva kompenzovat zavedením záporné reaktivity opět pomocí absorbátoru (rozpustného nebo vyhořívajícího).

Hodnoty ${\displaystyle \sigma _{a}}$ pro energii neutronů 0,0253 eV^[7]

Izotop	${\displaystyle \sigma _{a}[b=cm^{2}\cdot 10^{-24}]}$	Typ absorpce
${\displaystyle {\ce {^{10}B}}}$	3 844	${\displaystyle (n,\alpha )}$
${\displaystyle {\ce {^{113}Cd}}}$	19 969	${\displaystyle (n,\gamma )}$
${\displaystyle {\ce {^{155}Gd}}}$	60 737	${\displaystyle (n,\gamma )}$
${\displaystyle {\ce {^{157}Gd}}}$	252 912	${\displaystyle (n,\gamma )}$
${\displaystyle {\ce {^{167}Er}}}$	650	${\displaystyle (n,\gamma )}$
${\displaystyle {\ce {^{161}Dy}}}$	600	${\displaystyle (n,\gamma )}$
${\displaystyle {\ce {^{164}Dy}}}$	2 653	${\displaystyle (n,\gamma )}$
${\displaystyle {\ce {^{151}Eu}}}$	9185	${\displaystyle (n,\gamma )}$[8]

Regulační tyče bývají vyrobeny z oceli legované absorbátorem. Proto musí mít absorbátor kromě vysokého ${\displaystyle \sigma _{a}}$ i vhodné metalurgické vlastnosti. Do regulačních tyčí se používá zpravidla bór nebo kadmium^[9].

Pokud je reaktor chlazen nebo moderován vodou, je možné přidávat absorbátor ve formě vodného roztoku kyseliny nebo soli. Tlakovodní reaktory používají nejčastěji kyselinu boritou ${\displaystyle {\ce {H3B O3}}}$. Další používaná sloučenina je dusičnan gadolinitý ${\displaystyle {\ce {Gd(NO3)3}}}$. Ten se používá v reaktorech CANDU^[10] pro havarijní odstavení, kdy je bohatý roztok absorbátoru vtlačován do prostoru kalandrie, aby zastavil štěpnou reakci.

Na rozdíl od ostatních absorbátorů jsou vyhořívající absorbátory pevně spjaty s palivem a počítá se s jejich úbytkem v čase. Vzhledem k tomu, že je činnost vyhořívajících absorbátorů časově omezená, je důležité aby izotopy vznikající přeměnou absorbátoru měly malý ${\displaystyle \sigma _{a}}$ a dál už neovlivňovaly neutronový tok. Tuto podmínku splňují všechny uvedené prvky vyjma dysprosia. Dysprosium ${\displaystyle {\ce {^{161}Dy}}}$ se záchytem neutronů mění na ${\displaystyle {\ce {^{161}Dy}}}$ ... ${\displaystyle {\ce {^{164}Dy}}}$, kde všechny vznikající izotopy mají výrazný ${\displaystyle \sigma _{a}}$^[7].

Z hlediska trvanlivosti vyhořívajícího absorbátoru není vysoká hodnota ${\displaystyle \sigma _{a}}$ optimální, protože dochází k velmi rychlému vyhoření.

Vyhořívající absorbátory umožňují obohacení paliva nad hodnotu ${\displaystyle 4\%\;^{235}U}$. Vyšší obohacení prodlužuje palivovou kampaň a má pozitivní ekonomický dopad. Rozložení a koncentrace absorbátoru v palivovém souboru je zásadním prvkem designu vysoce obohacených paliv a je součástí know-how každého výrobce.

Pomocí vyhořívajících absorbátorů lze upravovat neutronový tok v aktivní zóně a profilovat rozložení výkonu v reaktoru. Rozmístění absorbátorů a čerstvých palivových souborů je předmětem optimalizace při fyzikálním výpočtu palivové vsázky.

Integrální absorbátor je přímo součástí paliva a nachází se v palivových proutcích. Absorbátor se přidává ve formě prášku jako oxid gadolinitý ${\displaystyle {\ce {Gd_{2}O_{3}}}}$, nebo diborid zirkonia ${\displaystyle {\ce {ZrB_{2}}}}$^[9]. Prášek může být buď zalisovaný do matrice paliva v palivové peletce, nebo naprášený na povrchu peletky ve formě tenkého filmu.

Výhodou integrálního absorbátoru je, že nenarušuje zavedený tvar palivového souboru ani jeho hydraulické vlastnosti. Integrální absorbátory lze používat jak v tlakovodních tak varných reaktorech.

Nevýhodou je snížení tepelné vodivosti, teploty tání a sklon k napuchání palivových peletek^[9]. Peletky s vyhořívajícím absorbátorem se musí vyrábět v jiném závodě než běžné palivo, aby nedošlo k vzájemné kontaminaci. I velmi malá množství nechtěného absorbátoru mohou mít negativní vliv na průběh vyhořívání paliva.

Diskrétní absorbátor se nachází v palivovém souboru ve formě absorpčních proutků. Konstrukce absorpčních proutků je podobná jako u palivových, lisované peletky absorbátoru jsou uloženy v zirkoniovém obalu a hermeticky utěsněny. Pro výrobu peletek se používá práškový karbid boru ${\displaystyle {\ce {B_{4}C}}}$^[9].

Výhodou diskrétních absorbátorů je, že nejsou pevnou součástí paliva a lze je využívat modulárně, tj. skládat palivové soubory různými způsoby podle potřeby.

Nevýhody diskrétních absorbátorů se vztahují k větší produkci radioaktivního odpadu a narušení hydraulického návrhu aktivní zóny. V neposlední řadě je problematické použití bóru, který se záchytem neutronu štěpí na lithium a helium. Plynný produkt štěpení potom tlakově namáhá zirkoniový obal proutku. To platí pro integrální i diskrétní absorbátory.

Diskrétní absorbátory se nepoužívají ve varných reaktorech^[2].

• SKLENKA, Ľubomír; HERALTOVÁ, Lenka. Provozní reaktorová fyzika. 2. vyd. Praha: České vysoké učení technické v Praze, 2016. 196 s. ISBN 978-80-01-05901-2. 

• FRÝBORT, Jan; HERALTOVÁ, Lenka; ŠTEFÁNIK, Milan. Úvod do reaktorové fyziky. 1. vyd. Praha: České vysoké učení technické v Praze, 2013. 120 s. ISBN 978-80-01-05322-5. 
• LEWIS, Elmer E. Fundamentals of Nuclear Reactor Physics. [s.l.]: Elsevier Science Publishing, 2008. 312 s. ISBN 978-0-12-370631-7. 
• HEZOUČKÝ, František; ŠTĚCH, Svatobor. Základy teorie normálních a abnormálních provozních režimů energetických bloků s tlakovodními reaktory. 1. vyd. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní knihovna, 2015. 199 s. ISBN 978-80-261-0548-0. 

• Řídicí tyč
• Štěpná jaderná reakce
• Moderátor neutronů
• Jaderný reaktor