Factor de utilización de neutrones térmicos

El factor de utilización de neutrones térmicos θ es un parámetro de reacción en cadena nuclear que muestra qué fracción de neutrones térmicos es absorbida por el combustible nuclear.

Reactor homogéneo

El moderador y el combustible nuclear en un núcleo homogéneo se irradian con flujos de neutrones térmicos de la misma densidad φ. Si asumimos que una mezcla homogénea consiste en un moderador y combustible nuclear ( uranio ), entonces la influencia en el factor de utilización de neutrones térmicos θ de parámetros como la dilución de uranio con un moderador, el enriquecimiento de uranio y la temperatura de neutrones será la siguiente:

El número de neutrones térmicos absorbidos en 1 s por unidad de volumen de una mezcla homogénea:

Σ a φ=(Σ Z a + Σ U a )φ, donde

φ es el flujo de neutrones
Σ a es la sección transversal de absorción macroscópica de la mezcla;
Σ Z a es la sección transversal de absorción macroscópica del moderador;
Σ U a es la sección transversal de absorción macroscópica del uranio.

Así, el coeficiente θ es igual a la fracción de neutrones térmicos absorbidos en el uranio:

θ=Σ U a φ/Σ a φ=Σ U a /(Σ U a + Σ Z a ).

Si reemplazamos las secciones macroscópicas por las microscópicas según la fórmula Σ i =Nσ i , obtenemos la última expresión en la forma

Del análisis de la fórmula se derivan tres conclusiones:

  1. el coeficiente θ de una mezcla homogénea no depende de la velocidad del neutrón v , y por tanto de la temperatura del neutrón T n , si la sección eficaz de absorción σ a de todos los componentes de la mezcla obedece a la ley 1/ v ;
  2. a medida que aumenta la concentración de uranio en la mezcla, el coeficiente θ tiende a la unidad. Por el contrario, la dilución de uranio con un moderador conduce a una disminución del coeficiente θ
  3. con un aumento en el enriquecimiento de uranio, la sección transversal de absorción σ U a y el coeficiente θ aumentan.

Reactor heterogéneo

Un núcleo heterogéneo, a diferencia de uno homogéneo, no es homogéneo para los neutrones térmicos, ya que las secciones transversales de absorción del moderador y el material del elemento combustible difieren considerablemente. Consideremos el cambio en el valor de θ durante la transición de un sistema homogéneo a uno heterogéneo usando el ejemplo de una celda cilíndrica que consta de una barra de uranio y un moderador.

Los neutrones rápidos pierden su energía en el moderador, ya que la barra de uranio se compone únicamente de átomos pesados. Por lo tanto, el moderador es una fuente de neutrones térmicos. Desde el moderador, los neutrones térmicos fluyen hacia la barra de uranio. El flujo de neutrones φ disminuye desde el límite de la celda hasta su centro.

La absorción de neutrones térmicos en un reactor heterogéneo por los núcleos moderadores es mayor que en uno homogéneo . Por lo tanto, con la misma composición del núcleo, el coeficiente θ het de un reactor heterogéneo es menor que el coeficiente θ homo de un reactor homogéneo. La transición de un sistema homogéneo a uno heterogéneo empeora el uso de neutrones térmicos en una reacción en cadena. Por ejemplo, en una red cuadrada de uranio-grafito con un paso a = 30 cm y una barra de uranio natural con un diámetro de d = 3 cm, la relación del número de átomos N C  / N U = 215 y el coeficiente θ het = 0,885. En una mezcla homogénea con tal proporción de núcleos de carbono y uranio natural, el valor de θ gom = 0,915. En este caso, la eficiencia del uso de neutrones térmicos disminuye aproximadamente un 3% al pasar a un sistema heterogéneo.

Véase también

Literatura