La interacción de neutrones con materia se encuentra en el corazón de la física del reactor nuclear y la radio blindaje. Un parámetro clave que rige estas interacciones es la sección transversal de neutrones, que cuantifica la probabilidad de que un núcleo determinado se someta a una reacción específica con un neutron incidente. Este concepto es esencial para entender cómo los neutrones se comportan en diferentes materiales, especialmente los moderadores utilizados para retardar la eficiencia de los neutrones.

¿Qué es una sección de la Cruz Neutron?

Definición y Significado Físico

La sección transversal de neutrones es una medida del área de destino efectiva que un núcleo presenta a un neutron y se expresa en unidades de latón (1 granero = 10]−24] cm2). Representa la probabilidad de una interacción específica, como la dispersión, absorción o fisión, o cuando un neutro pasa a través de un material.

Tipos de Interacciones Neutron

Los neutrones interactúan con los núcleos a través de varios mecanismos distintos, cada uno caracterizado por su propio perfil de sección transversal.

  • Elastic scatter (n,n): El neutron es desviado por el núcleo, compartiendo energía cinética mientras conserva la energía cinética total. Este proceso es el principal medio de ralentizar los neutrones en los moderadores. La sección transversal dispersa (σ]s) determina tal probabilidad.
  • Esparcimiento inelástico (n,n): El neutron excita el núcleo, perdiendo energía que posteriormente se emite como un rayo gamma. Esta interacción es más significativa para los núcleos pesados y los neutrones rápidos.
  • Captura radiativa (n,γ): El neutron es absorbido por el núcleo, que luego libera la energía vinculante como radiación gamma. La sección transversal de absorción (σa) rige la pérdida de neutrones en materiales de reactor.
  • ]Fission (n,f): El neutron induce al núcleo a dividirse en dos núcleos más ligeros, liberando energía y neutrones adicionales. Esta es la reacción fundamental en los combustibles nucleares.

La sección transversal total (σt]) es la suma de todas las secciones parciales y representa la probabilidad general de cualquier interacción. Para los moderadores, la proporción de dispersión a la sección transversal de absorción es una figura crítica de mérito.

Energy Dependence of Cross-Sections

Los componentes de la absorción de neutrones son muy dependientes de la energía de neutrones, por lo que es esencial considerar el espectro de neutrones cuando evalúan el rendimiento de moderadores. En las energías bajas (región térmica, ~0.025 eV), las secciones de absorción a menudo siguen una ley de 1/v, disminuyendo a medida que aumenta la velocidad de neutrones.

El papel de los moderadores en los reactores nucleares

Por qué se necesitan neutrones lentos

Los neutrones producidos en las reacciones de fisión son rápidos, con energías que oscilan alrededor de 2 MeV. En estas altas energías, la probabilidad de inducir más fisión en uranio-235 es relativamente baja. Sin embargo, como los neutrones pierden energía y llegan al equilibrio térmico con el material circundante (normalmente a alrededor de 0.025 eV a temperatura ambiente), la sección de fisión de energías U-235 aumenta dramáticamente.

La Física de la Moderación

El modo de absorción de neutros es más alto que el decremento de energía de la dispersión del neutrón.El modo de absorción de la energía de la dispersión de la energía de la dispersión es más eficaz[LT].

Propiedades clave de un moderador eficaz

  • Seccion transversal de alta dispersión: Para asegurar interacciones frecuentes con neutrones, lo que conduce a una rápida termalización.
  • Sección transversal de absorción de lo más baja: Para minimizar la pérdida de neutrones y mantener una alta economía de neutrones.
  • Large energy loss per collision: Conseguido con una masa atómica baja, permitiendo que menos colisiones alcancen la energía térmica.
  • ]High moderating ratio: El producto de la potencia de desaceleración y el inverso de la sección transversal de absorción, proporcionando una medida completa de la calidad del moderador.
  • Estabilidad física y química: El material debe soportar altas temperaturas, daños a la radiación y mantener la integridad durante la vida del reactor.

Materiales Moderadores Comunes y sus Perfiles de Sección Cruzada

Cuatro materiales se han utilizado ampliamente como moderadores en reactores de energía nuclear: agua ligera (H2O), agua pesada (D2O), grafito (carbono) y berilio. Cada uno presenta una combinación única de secciones transversales de dispersión y absorción que influencia directamente su idoneidad para diferentes sistemas de reactores.

Agua de luz (H2O)

El agua ligera es el moderador más común, utilizado en reactores de agua presurizada (PWR) y reactores de agua hirviendo (BWRs). El hidrógeno tiene una sección transversal de dispersión alta elástica para neutrones de baja energía: la sección transversal microscópica del hidrógeno es de unos 20 lados para neutrones térmicos, mientras que la sección transversal de absorción es de aproximadamente 0,3 latas.

Agua pesada (D2O)

El deuterio es un núcleo de agua pesada que se produce considerablemente más bajo en el caso de los neutrones térmicos, en comparación con los 0,3 granos de hidrógeno. La sección de deuterio es también menor (unos 16 graneros), pero la proporción de moderador de agua pesada supera los 12,000, lo que lo convierte en un moderador excepcional con una pérdida de neutrones insignificante.

Grafito (Carbon)

El reactor de alta temperatura de HGRA (en inglés) es un reactor de alta temperatura y de alta resistencia (en inglés)

Beryllium

El berilio (9Be) es un moderador menos común, utilizado principalmente en reactores de investigación y algunas aplicaciones nucleares espaciales debido a sus buenas propiedades de moderación y punto de fusión alto. El berilio tiene una sección de dispersión de alrededor de 6 granos y una sección de absorción térmica de aproximadamente 0.009 graneros, dándole una alta relación de moderación.

Comparación de las secciones transversales de Neutron en todos los moderadores

Para comparar cuantitativamente la eficacia de estos moderadores, en el cuadro siguiente se resumen los datos nucleares clave para los neutrones térmicos (0.0253 eV) a temperatura ambiente, derivados de bibliotecas estándar de sección transversal:

  • Hydrogen (en H2O): σs ♥ 20 establos (atom en la frontera), σa ♥ 0,3 establos, masa atómica = 1.0, . . = 1.000. Moderating ratio ♥ 70.
  • Deuterium (en D2O): s] ♥ 16 establos, σa ♥ 0.0005 establos, masa atómica = 2.0, Š ♥ ♥ ♥ 0,75. Moderating ratio Ø 12,000.
  • Carbon (graphite):] σs ♥ 4.7 graneros, σa ♥ 0.0035 graneros, masa atómica = 12.0, ERO ♥ ♥ ♥ ♥ ♥ ♥ ♥ ♥ ♥ ♥ .
  • Beryllium:] σs ♥ 6.0 graneros, σa ♥ 0.009 establos, masa atómica = 9.0, ERO ♥ ♥ 0,0. Moderating ratio ♥ ♥ 150.

Tenga en cuenta que la sección transversal de distribución de atomas en el agua es más alta que el valor de atoma libre debido a efectos de dispersión coherentes de la unión molecular. Esta mejora es crítica para la conducción de los parámetros de desaceleración correctos en reactores de agua ligera. Los datos muestran claramente que el agua pesada tiene por lejos la sección de absorción más baja, lo que lo convierte en el moderador más eficiente, mientras que el grafito ofrece un fuerte equilibrio de baja absorción de agua y dispersión.

Implicaciones para el diseño de reactores y neutrónicas

Selección Moderador y Configuración Core

Los datos de sección transversal influyen directamente en el diseño de núcleos de reactores. En reactores de agua ligera (PWRs, BWRs), la sección de hidrógeno de alta absorción significa que el núcleo debe ser compacto y que el combustible debe ser enriquecido para compensar las pérdidas de neutrones. El núcleo es normalmente un arreglo heterogéneo de varillas de combustible rodeado por agua, que actúa como moderador y refrigerante.

En reactores de agua pesada como CANDU, la baja absorción de deuterio permite el uso de uranio natural. El núcleo es más grande, y el moderador se separa del refrigerante. El diseño CANDU utiliza tubos de presión llenos de refrigerante de agua pesada y combustible, rodeados por un tanque más grande de moderador de agua pesada a menor temperatura y presión. Esta separación permite al moderador permanecer en alta calidad (reactividad más alta) mientras el refrigerante puede ser

Los reactores de seguridad de grafito, como el RBMK y Magnox, utilizan bloques de grafito como el moderador, con helio, dióxido de carbono o agua ligera como el refrigerante. La sección de baja absorción de la grafito permite una alta relación de conversión (producción de plutonio de U-238), y tales reactores pueden funcionar con menor enriquecimiento o incluso con uranio natural en el caso de Magnograph.

Sensibilidad de la sección cruzada y análisis de accidentes

Los datos exactos de la sección transversal son esenciales para modelar el comportamiento transitorio y los escenarios de accidentes. Por ejemplo, en un accidente de pérdida de refrigeración (LOCA) en una PWR, la densidad de refrigerante/moderador disminuye rápidamente, alterando las características de moderación y absorción de neutrones. La desaparición del agua reduce la densidad de hidrógeno, desplazando el espectro de neutrones a energías superiores, que pueden disminuir o aumentar la reactividad dependiendo del núcleo

Para los reactores de agua pesada, la producción de tritio a través de la captura de neutrones por deuterio (2H(n,γ)3H) es un factor significativo. La sección transversal de absorción del deuterio, aunque pequeña, se vuelve importante sobre el funcionamiento largo de un reactor CANDU, lo que conduce a una acumulación de tritio en el moderador y refrigerante.

Conceptos avanzados y emergentes de moderador

Hidridos de metal y materiales de novela

Más allá de los moderadores clásicos, la investigación continúa sobre los hidroides metálicos como el hidrauro de zirconio (ZrH2) y el hidrauro de titanio (TiH2). Estos materiales ofrecen una alta densidad de hidrógeno (similar al agua) pero con una absorción significativamente menor que el agua, porque los átomos de metal tienen baja absorción.

Moderadores líquidos de metal y sal fundida

El modulo de la sal de la fibra de litio y el fluoruro de berilio pueden servir como portador de combustible y moderador. El litio tiene una sección de alta absorción para los neutrones térmicos, por lo que el isótopo de litio-7 debe ser utilizado para minimizar la absorción de parasitismo.

Conclusión

El sistema de refrigeración de alta calidad, que permite la conversión de los reactores de alta calidad, permite la producción de agua de alta calidad, y que se mantiene en el sistema de control de energía de alta calidad, y que se mantiene en el sistema de control de energía de alta calidad, y que permite la conversión de los reactores de alta calidad y de alta calidad.