Moderación de neutrones

La desaceleración de neutrones es el proceso de reducción de la energía cinética de los neutrones libres como resultado de sus múltiples colisiones con los núcleos atómicos de la materia. La sustancia en la que tiene lugar el proceso de desaceleración de los neutrones se denomina moderador . La moderación de neutrones se aplica, por ejemplo, en reactores nucleares de neutrones térmicos .

Información general

En el curso de las reacciones nucleares , por lo general se forman neutrones rápidos (con energía > 1 MeV ). Los neutrones rápidos durante las colisiones con los núcleos atómicos pierden energía en grandes porciones, gastándola principalmente en la excitación de los núcleos o su división. Como resultado de una o más colisiones, la energía del neutrón se vuelve menor que la energía mínima de excitación del núcleo (de decenas de keV a varios MeV, dependiendo de las propiedades del núcleo). Después de eso, la dispersión del neutrón por el núcleo se vuelve elástica , es decir, el neutrón gasta energía en comunicar la velocidad al núcleo sin cambiar su estado interno.

En una colisión elástica, el neutrón pierde, en promedio, una fracción de energía igual a donde A es el número de masa del núcleo objetivo. Esta fracción es pequeña para núcleos pesados (1/100 para plomo ) y grande para núcleos ligeros (1/7 para carbono y 1/2 para hidrógeno ). Por lo tanto, la desaceleración de los neutrones ocurre mucho más rápido en los núcleos ligeros que en los pesados. ${\ fracción {2A}{(A+1)^{2}}}$

Sustancia	norte	t, ms	LB , cm
Guiar	1600	1300	200
Grafito	110	70	43
Agua	23	3	13

El número promedio de colisiones N, el tiempo de desaceleración promedio t y la raíz cuadrática media de remoción L B del neutrón de la fuente cuando el neutrón se desacelera en un medio ilimitado de una energía de 1 MeV a una energía de 0.1 eV .

En el proceso de desaceleración de los neutrones, los llamados. neutrones térmicos , que están en equilibrio térmico con el medio en el que se produce la moderación. La energía media de un neutrón térmico a temperatura ambiente es de 0,04 eV.

El decremento logarítmico promedio de la energía del neutrón por una colisión , depende únicamente del número de masa , del núcleo moderador: $\xi$ $A$

$\xi =\ln {\frac {E_{0}}{E}}=1+{\frac {(A-1)^{2}}{2A}}\ln \left({\frac {A-1}{A+1}}\derecha)$ .

Con más de tres, puede usar una fórmula simplificada :. $A$ ${\ estilo de visualización \ xi \ simeq {\ frac {2} {A + 2/3}}}$

El coeficiente de desaceleración de la materia es la relación de la macrosección de dispersión multiplicada por el decremento logarítmico promedio de la energía del neutrón por una colisión a la macrosección de absorción : . ${\ estilo de visualización \ Sigma _ {s}}$ $\xi$ $\Sigma _{a}$ ${\frac {\xi \Sigma _{s}}{\Sigma _{a}}}$

En el proceso de desaceleración, parte de los neutrones son absorbidos por los núcleos o salen volando del medio hacia el exterior, es decir, se pierden. En los moderadores que contienen núcleos ligeros, las pérdidas por absorción son pequeñas y la mayoría de los neutrones emitidos por la fuente se convierten en neutrones térmicos, siempre que las dimensiones del moderador sean lo suficientemente grandes en comparación con el tamaño L B .

Características de la aplicación

Entre los mejores moderadores ampliamente utilizados en física nuclear y tecnología nuclear para convertir neutrones rápidos en térmicos se encuentran el agua , el agua pesada , el berilio y el grafito .

Agua

Las ventajas del agua ordinaria como moderador son su disponibilidad y bajo costo. Las desventajas del agua son el bajo punto de ebullición (100 °C a una presión de 1 atm ) y la absorción de neutrones térmicos. El primer inconveniente se elimina aumentando la presión en el circuito primario. La absorción de neutrones térmicos por el agua se compensa con el uso de combustible nuclear a base de uranio enriquecido .

Ver también:

Agua pesada

El agua pesada difiere poco del agua ordinaria en sus propiedades químicas y termofísicas . Prácticamente no absorbe neutrones, lo que permite utilizar uranio natural como combustible nuclear en reactores con moderador de agua pesada. La desventaja del agua pesada es su alto costo.

Ver también:

CANDU

Grafito

El grafito natural contiene hasta un 20% de varias impurezas, incluido el boro , un buen absorbente . Por lo tanto, el grafito natural no es adecuado como moderador de neutrones. El grafito de reactor se obtiene artificialmente a partir de una mezcla de coque de petróleo y alquitrán de hulla. Primero, los bloques se prensan de la mezcla y luego estos bloques se tratan térmicamente a alta temperatura. El grafito tiene una densidad de 1,6-1,8 g/ cm3 . Se sublima a una temperatura de 3800–3900 °C. El grafito calentado en aire a 400 °C se enciende. Por lo tanto, en los reactores de potencia, está contenido en una atmósfera de gas inerte ( helio , nitrógeno ).

Ver también:

Berilio

Beryllium es uno de los mejores moderadores. Tiene un alto punto de fusión (1282 °C) y conductividad térmica , y es compatible con dióxido de carbono , agua, aire y algunos metales líquidos. Sin embargo, en la reacción umbral 9 Be(n, 2n)2α, surge helio , por lo tanto, bajo una intensa irradiación con neutrones rápidos , el gas se acumula dentro del berilio , bajo cuya presión se hincha el berilio. El uso de berilio también está limitado por su alto costo. Además, el berilio y sus compuestos son altamente tóxicos. El berilio se utiliza para fabricar reflectores y desplazadores de agua en el núcleo de los reactores de investigación.

Literatura

Petunin V.P. Ingeniería de energía térmica de instalaciones nucleares M.: Atomizdat , 1960.
Levin VE Física nuclear y reactores nucleares. 4ª ed. — M.: Atomización , 1979.