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¿Qué es la termalización de Neutron?
La termalización neutron es un proceso central en física nuclear, esencial para el funcionamiento del reactor y muchas aplicaciones experimentales. Describe lo rápido que los neutrones – por lo general con energías en la gama mega-electronvolt (MeV)– llevan consigo colisiones sucesivas con los núcleos de un material moderado hasta que su distribución energética confluya en el movimiento térmico de los átomos circundantes.
El término "termalización" proviene de la termodinámica: después de suficientes colisiones elásticas e inelásticas, la población de neutrones alcanza el equilibrio térmico con el moderador. En términos prácticos, un neutrón rápido que comienza con 1 MeV de energía cinética puede necesitar decenas a cientos de colisiones para derramar suficiente energía para convertirse en térmica. El número exacto depende de las propiedades del moderador, especialmente la masa de su núcleo.
La Física de la Moderación Neutron
El factor de energía se basa en la energía de los neutrógenos, que se mantiene en el medio de los metales, y que se mantiene en el medio de los metales, y que se mantiene en el medio de los metales, y que se mantiene en el sistema de energía, y que se mantiene en el sistema de energía.
]• = 1 - (A-1)2] / (2A) ) * ln( (A+1) / (A-1) )
[LT2] [FLT] [FLT] [FLT1] [FLT] es el número de masa del núcleo del moderador (en unidades de masa de neutrones).Para el hidrógeno (A=1), el pulcro es aproximadamente 1.0, lo que significa que una pérdida de neutrones casi toda su energía en una colisión de cabeza sola.
Mecánica de Neutron Scattering
Dos mecanismos principales de dispersión se producen durante la termalización: dispersión elástica y dispersión inelástica.
Elastic Scattering
En el dispersión elástica, la energía cinética total del neutron y el núcleo se conserva. El neutron puede dispersarse en cualquier dirección en el marco central de masa. Para los núcleos ligeros (bajo A), la transferencia de energía máxima se produce en una colisión frontal donde el neutron se rebota directamente hacia atrás. El hidrógeno es único porque su núcleo es un protón de aproximadamente la misma masa que el neutron
Inelástico estafador
En las energías de neutrones más altas (ambove ~1 MeV para muchos núcleos), la dispersión inelástica se vuelve significativa. En este proceso, el neutrones colisiona con el núcleo y lo deja en un estado excitado. El neutro pierde más energía cinética que en una colisión elástica, y el núcleo emite un rayo gamma mientras desexcita.
Tipos de Moderadores y Sus Propiedades
Los diferentes materiales de moderador exhiben un comercio único entre potencia de moderación, sección transversal de absorción, propiedades térmicas y coste. Los tres más comunes son agua ligera, agua pesada y grafito, pero otros candidatos existen para reactores especializados.
Agua de luz (H2O)
El agua ligera es el moderador más utilizado, empleado en reactores de agua presurizados (PWRs) y reactores de agua hirviendo (BWRs).Su principal ventaja es la alta potencia de moderación debido a la baja masa de hidrógeno y la alta densidad de átomos de hidrógeno en el agua.
Agua pesada (D2O)
El uso de agua pesada (2H) en lugar de hidrógeno ordinario. La masa de deuterio es aproximadamente el doble del neutron, pero todavía tiene un alto ralizador de alrededor de 0.730. Su sección de absorción de neutrones térmicos es sólo alrededor de 0.001 granero, aproximadamente 330 veces menor que el de agua ligera.
Grafito (Carbon)
El grado de eficiencia se ha utilizado desde los primeros reactores, incluyendo el Chicago Pile‐1 y el Chernobyl RBMK. El carbono (A=12) tiene un menor raje que el hidrógeno o el deuterio, por lo que se necesitan más colisiones. Sin embargo, el grafito de la absorción de neutrones es extremadamente bajo (alrededor de 0.0035 barnes para el carbono natural) y la alta conductividad térmica hacen que sea un excelente moderador
Beryllium
El berilio (A=9) es otro elemento ligero con buenas propiedades de moderación. Su sección transversal de absorción es baja (aproximadamente 0.0076 establos), y su potencia de moderación es incluso mayor que la de grafito. El berilio se utiliza como reflector y a veces como moderador en los reactores de investigación y en algunos reactores espaciales. Sin embargo, es costoso, tóxico en forma de polvo, y puede ser frágil bajo los límites de la inflamación de neutrones.
Otros moderadores
Para aplicaciones especializadas, compuestos como el hidrato de litio-7 (7]) han sido estudiados para su uso en cohetes nucleares de núcleo sólido debido a su alta densidad de hidrógeno y punto de fusión. El hidrato de zinc (ZrH) se ha probado en reactores de TRIGA (Training, Research, Isotopes, General Atomics) porque tiene un hidrógeno fuerte
Tiempo de termalización y espectro neutrón
El tiempo necesario para que un neutrón se calcule depende de la potencia de desaceleración del moderador y de las secciones de dispersión dependientes de la energía. En el agua ligera, un neutron rápido típico toma alrededor de 10-20 microsegundos para alcanzar la energía térmica, viajando por una longitud de ruta de 10 a 30 cm durante el proceso.
Comparación de la eficacia del moderador
Existen varias cifras de mérito para comparar moderadores:
- Potencia moderada (MP): Definido como producto de la sección transversal de dispersión macroscópica y el decremento medio de energía logarítmica, gia]s] × . Un valor superior significa una termalización más rápida.
- ] Ratio moderado (MR):] MP dividido por la sección transversal de absorción macroscópica egaa. Una proporción más alta indica que se pierden menos neutrones a la absorción durante la termalización. Esta proporción es crítica para la viabilidad del reactor con uranio natural.
- Costo y Disponibilidad: El agua ligera es barata y abundante; el agua pesada es costosa; el grafito es moderadamente barato pero requiere purificación para evitar impurezas de los huesos.
- Estabilidad de radiación: El grafito acumula energía de la bruja; el agua se descompone radiolíticamente (aunque la recombinación suele ser rápida); el ZrH puede perder hidrógeno a altas temperaturas.
En el cuadro siguiente se resumen las propiedades clave para los moderadores comunes:
| Moderator | Mass Number (A) | ξ | Σs (cm⁻¹) | Σa (cm⁻¹) | MP (cm⁻¹) | MR |
|---|---|---|---|---|---|---|
| H₂O | 1 (H) / 16 (O) | 0.924 (effective) | 3.45 | 0.022 | 3.19 | 145 |
| D₂O | 2 (D) / 16 (O) | 0.730 (effective) | 0.565 | 0.000 054 | 0.412 | 7,630 |
| Graphite | 12 | 0.158 | 0.385 | 0.000 273 | 0.061 | 224 |
| Be | 9 | 0.206 | 0.805 | 0.001 02 | 0.166 | 163 |
Nota: Los valores son aproximados para la composición natural a temperatura ambiente; el oxígeno y el hidrógeno en el agua contribuyen a la dispersión.
Significado en los reactores nucleares
El proceso de absorción de neutrones es esencial para diseñar reactores que sean eficientes y seguros. En un núcleo heterogéneo (vasas de combustible rodeadas por moderadores), la moderación de neutrones se produce principalmente en la región del moderador. Si el moderador se calienta y disminuye su densidad, el moderador de energía cae, lo que conduce a una reducción de la reactividad, este es el principio detrás del coeficiente de temperatura de moderador negativo
La termalización de neutrones también afecta a la distribución de flujos espaciales. En un reactor grande, el flujo térmico puede alcanzar una distancia de la interfaz combustible-moderador porque los neutrones rápidos viajan una cierta distancia antes de convertirse en térmico. Este fenómeno de "difusión de nerón" es crítico para el diseño del núcleo y para predecir los picos de potencia. La longitud de desaceleración (la distancia viajada durante la termalización) es de unos 5-10 cm en los modelos de agua ligera pero puede superar las diferencias de 20 cm
Aplicaciones Más allá de los reactores
La termalización neutron es importante en muchas aplicaciones no potencia:
- ] Ciencia de dispersión neutron: En instalaciones de investigación como el Institut Laue-Langevin (ILL) en Francia o la Fuente de Neutron de Spallation (SNS) en los Estados Unidos, se utilizan rayos de neutrones térmicos para probar la estructura de materiales. Entender el diseño de moderador (por ejemplo, hidrógeno líquido o fuentes de frío de metano) es crucial
- Análisis de activación de neutrones (NAA): Los neutrones térmicos son ideales para producir isótopos radiactivos en muestras para la detección de elementos de traza. El proceso de termalización en la instalación de irradiación (a menudo un reactor) debe optimizarse para maximizar el flujo de neutrones térmicos relativos a neutrones rápidos.
- Terapia de Captura de Neutrón (BNCT): Este tratamiento experimental del cáncer se basa en neutrones térmicos o epitermales que están siendo capturados por 10B, que luego se somete a fisión, liberando partículas alfa que matan las células tumorales.
- ] Radiografía de neutrón: Los neutrones térmicos pueden penetrar materiales ligeros (por ejemplo, aluminio, agua) pero están dispersos por hidrógeno, haciéndolos ideales para la humedad de imagen o materiales orgánicos dentro de los casquillos de metal.
- Exploración geofísica: En la tala de agujeros, los neutrones de una fuente se calientan por las formaciones circundantes. La tasa de termalización revela el contenido de hidrógeno (es decir, agua o aceite) de la roca, permitiendo la detección de recursos.
Desafíos y conceptos avanzados de moderador
A pesar de la madurez de la tecnología de moderadores, la investigación sigue abordando los desafíos:
- Daño por radiación: En reactores de muy alta presión, como reactores de ensayo de materiales, moderadores de agua pasan por radiolisis, produciendo gas de hidrógeno y oxígeno. Los catalizadores de reconstrucción y sistemas de alta presión mitigan esto, pero sigue siendo una limitación operacional.
- Modedores de alta temperatura: Para reactores de temperatura muy alta de próxima generación (VHTRs) que operan por encima de 900°C, el grafito es el moderador preferido, pero su tendencia a oxidar en accidentes de ingreso aéreo debe ser contrarrestada con recubrimientos protectores o materiales alternativos como ZrH o MgO.
- Moderadores de sal líquidos: En reactores de sal fundida, el combustible se disuelve en una sal de fluoruro o cloruro. Algunos diseños utilizan grafito como moderador sólido, que debe ser reemplazado periódicamente debido a la inflamación. La investigación en moderadores líquidos (por ejemplo, FLiBe) está en curso pero desafiante debido a la corrosión.
- Moderación de púlsimos: En fuentes de neutrones de espaciación, los moderadores deben producir pulsos cortos de neutrones térmicos (duración de microsegundo) para experimentos de tiempo de vuelo. Esto requiere optimizar la geometría y la composición material (por ejemplo, utilizando agua, polietileno o hidrógeno líquido) para maximizar el rendimiento de neutrones al tiempo que preserva el pulso.
- ]Reactores de espacio: Para reactores nucleares compactos utilizados en el espacio (por ejemplo, el proyecto Kilopower), moderadores ligeros como el hidrato de ytrium (YH2) están en desarrollo porque mantienen una alta densidad de hidrógeno a temperaturas elevadas (~700°C) mientras que son menos propensos a la pérdida de hidrógeno que ZrH.
Conclusión
La termalización neutron sigue siendo una piedra angular de la ingeniería nuclear. La elección del moderador, agua ligera, agua pesada, grafito o materiales avanzados, configura la economía, seguridad y rendimiento de reactores nucleares e instrumentos basados en neutrones. Los avances en la ciencia de materiales y la física del reactor siguen perfeccionando nuestra comprensión, permitiendo una utilización más eficiente de neutrones tanto en la generación de energía como en el descubrimiento científico.
[LT] [FLT] [4]] El modo de análisis de la FN [4]] [4]]] [FLT] [4]]] [El modo de análisis de la FN [4]]] [4]] [El modo de análisis de la FN [LT]] [4]]