Moderator (fizică)

Un moderator ( lat. Moderat , „moderat”) este folosit pentru a încetini neutronii liberi , care sunt de obicei relativ mari în energie ( adică rapidă) atunci când sunt eliberați. Decelerația are loc prin împrăștierea elastică repetată pe nucleii atomici ușori , adică cele ale nuclizilor cu un număr de masă scăzut (vezi și coliziunea elastică ). Energia degajată de neutron este absorbită de nucleul atomic lovit ca recul; acest lucru îl eliberează în coliziuni suplimentare ca căldură asupra materiei înconjurătoare.

Cuvântul moderator poate indica materialul utilizat în acest scop sau o componentă finită etc.

Această „moderare” trebuie să fie diferențiată conceptual de încetinirea neutronilor datorită împrăștierii inelastice pe materiale cu greutate medie, cum ar fi de ex. B. Fierul (uneori numit „degradare”). Aceasta este pentru neutronii cu energii în intervalul MeV z. B. adesea folosit în ecranare , adesea combinat cu moderarea ulterioară. În împrăștierea inelastică, energia degajată de neutron este convertită în principal în energia de excitație a nucleului atomic; nucleul îl emite din nou ca radiație gamma .

materiale

Efectul mediu de frânare al unui impact elastic este cel mai puternic atunci când masa partenerului de impact este aceeași. În cazul unei coliziuni centrale , o singură coliziune ar fi suficientă pentru a opri neutronul (a se vedea cinematica ). Prin urmare , hidrogenul , în special cel mai comun izotop ¹ H, al cărui nucleu este un singur proton, este cel mai eficient moderator în acest sens. Este avantajos faptul că hidrogenul reprezintă aproximativ 2/3 din toți atomii din multe materiale (cum ar fi apa, parafina, multe materiale plastice). Deuteriul poate fi utilizat și ca component al apei grele , beriliu și carbon . Ca substanță întotdeauna gazoasă, heliul este practic inadecvat. În termeni numerici, avantajul elementelor mai ușoare ca moderator este exprimat prin scăderea medie a energiei logaritmice .

Tabelul următor oferă informații despre numărul mediu de coliziuni care este necesar pentru a decelera un neutron eliberat de fisiunea nucleară (energie tipică aproximativ 2 MeV ) la energie termică .

	hidrogen	deuteriu	beriliu	carbon	oxigen	uraniu
Masa miezului în u	01	02	09	0Al 12-lea	016	0238
Decrementul energetic ${\ displaystyle \ xi}$	01	00,7261	00,2078	000,1589	000,1209	0000,0084
Numărul de șocuri	18	25	86	114	150	2172

Abilitatea de moderare

Pentru a compara diferiți prezentatori care pot fi folosiți abilități de moderare ( raportul de moderare în limba engleză ). Se calculează din scăderea medie a energiei logaritmice și din coeficientul secțiunilor transversale pentru împrăștierea neutronă elastică și captarea neutronilor .${\ displaystyle \ xi {\ tfrac {\ sigma _ {el}} {\ sigma _ {\ gamma}}}}$ ${\ displaystyle \ xi = \ ln {\ tfrac {E_ {0}} {E_ {n}}}}$${\ displaystyle \ sigma _ {el}}$${\ displaystyle \ sigma _ {\ gamma}}$

În ciuda scăderii energetice ridicate, capacitatea de moderare a apei ușoare este relativ scăzută datorită secțiunii transversale mari a colecției .

Aplicații

Reactoare nucleare

Cele mai importante domenii de aplicare pentru moderatori sunt reactoare nucleare , în care neutroni rapizi produși în timpul fisiunea nucleară a uranium- 235 sau plutonium- 239 sunt încetinit la energia termică. Neutronii rapizi cauzează rareori fisiune nucleară; un neutron termic, pe de altă parte, este mult mai probabil să declanșeze o nouă fisiune nucleară (secțiune transversală). Un reactor moderat necesită, prin urmare, o cantitate mult mai mică de combustibil nuclear pentru reacția în lanț de fisiune auto-susținută (vezi și masa critică ) decât un reactor „mai rapid” care funcționează fără moderator. În centralele nucleare, hidrogenul (ca apă ușoară (obișnuită) ), deuteriul (ca apă grea ) și carbonul sub formă de grafit sunt utilizate tehnic .

Apa obișnuită este utilizată ca moderator în reactoarele cu apă ușoară . Un dezavantaj este absorbția neutronilor de către apă. Această pierdere de neutroni este compensată prin utilizarea de uraniu îmbogățit ( ²³⁵ U) și creșterea cantității de uraniu. Un argument în favoarea reactoarelor cu apă ușoară este că apa ușoară este ieftină și neinflamabilă și se evaporă în cazul supraîncălzirii reactorului (accident de reactor). Apoi nu mai există nicio moderare și reacția în lanț dispare.

Grafitul pur este relativ ușor de fabricat și prezintă o absorbție foarte mică a neutronilor. Prin urmare, un reactor nuclear moderat cu grafit poate fi utilizat cu uraniu nebogățit (uraniu natural). Primul reactor experimental funcțional construit în 1942 sub conducerea lui Enrico Fermi din Chicago a fost proiectat în acest fel. Reactoarele cu putere moderată a grafitului sunt reactoarele britanice Magnox , precum și reactoarele RBMK dezvoltate ulterior în Uniunea Sovietică , care funcționează doar în Rusia astăzi. În timpul accidentului reactorului de la Cernobîl în 1986 , reacția în lanț din reactorul supraîncălzit RBMK nu a mai putut fi întreruptă; grafitul și-a păstrat proprietățile de moderare și astfel generarea de energie a fost menținută până la topirea nucleului . Cu toate acestea, cele mai mari daune au fost cauzate de faptul că grafitul (carbonul pur) ardea și gazele de fum fierbinți transportau particulele radioactive la înălțimi mari. Un alt tip de reactor cu putere moderată de grafit este reactorul răcit cu gaz la temperatură înaltă .

Proprietățile reactorului cu diferiți moderatori

Alegerea moderatorului are un impact asupra proprietăților reactorului:

• Apa grea are doar o tendință scăzută (secțiune transversală mică) de captare a neutronilor. Prin urmare, reactoarele moderate cu apă grea pot fi acționate cu uraniu natural și construite relativ mici, motiv pentru care sunt de preferință utilizate în aplicații mobile, cum ar fi submarinele nucleare .
• Apa ușoară absoarbe ¹ H (n, ) ² H neutroni prin reacția de captare a neutronilor . Pentru a compensa acest lucru, aceste reactoare trebuie să fie acționate cu uraniu îmbogățit și să aibă un volum mult mai mare.${\ displaystyle \ gamma}$
• Grafitul, adică carbonul, absoarbe doar puțin, dar încetinește neutronii la viteza mică necesară după un număr mare de coliziuni (vezi tabelul de mai sus). Acesta este motivul pentru care nucleele reactoarelor cu moderat de grafit sunt semnificativ mai mari decât cele ale reactoarelor cu apă ușoară.

Doi tehnicieni pe nucleul unuia dintre reactoarele cu moderat de grafit (tip RBMK-1500 ) din centrala nucleară Ignalina

Reactoarele de ameliorare nu conțin un moderator, deoarece vor să fie împărțite de neutroni rapidi. Sodiul utilizat aici pentru răcire (cu masa sa 23) are un efect de moderare mult mai mic decât apa.

Alte utilizări

Moderatorii sunt, de asemenea, utilizați în scuturi împotriva neutronilor, adesea amestecați cu un absorbant termic de neutroni, cum ar fi borul sau un compus de litiu.

În legătură cu o sursă de neutroni , un moderator este utilizat atunci când urmează să fie furnizat un spectru de neutroni cu o componentă termică mare, de exemplu pentru măsurători de activare a neutronilor .

În mulți detectori de neutroni , neutronii sunt aduși la energia termică de către un moderator, astfel încât o reacție de absorbție, cum ar fi ¹⁰ B (n, alfa), poate fi apoi utilizată pentru detectarea lor . Un exemplu este contorul lung .

În toate aceste cazuri, hidrogenul este de obicei utilizat ca moderator, adesea sub formă de parafină solidă sau materiale plastice .

Vezi si

• Coeficientul de bule

Dovezi individuale

1. ↑ D. Emendörfer, K. H. Höcker: Teoria reactoarelor nucleare . Volumul 1: Reactorul staționar . Bibliographisches Institut, Zurich 1982, ISBN 3-411-01599-3 .
2. ↑ ^{a b} K.S. Rajan: Moderator de prelegeri și sistem de moderatori (PDF).