Comprendere il processo di termoizzazione dei neutroni in diversi moderatori

ξ = 1 - (A-1)[^]2[[ / (2A) ) * ln(A+1) / (A-1) )]

[FLT] è il numero di massa del nucleo moderatore (in unità di massa di neutroni). Per l'idrogeno (A=1), il ξ è di circa 1,0, il che significa che un neutrone perde quasi tutta la sua energia in un singolo neutrone di collisione.

Meccanica di sparazione di Neutron

Due principali meccanismi di dispersione si verificano durante la termoizzazione: dispersione elastica e dispersione inelastica.

Spazzola elastica

In dispersione elastica, l'energia cinetica totale del neutrone e del nucleo è conservata. Il neutrone può spargere in qualsiasi direzione nel telaio centrale-di massa. Per i nuclei leggeri (basso A), il trasferimento di energia massima si verifica in una collisione testa-su dove il neutrone si rimbalza direttamente all'indietro. L'idrogeno è unico perché il suo nucleo è un protone di circa la stessa massa del neutrone; un trasferimento di collisione può

Spazzola inelastica

In questo processo, il neutrone si scontra con il nucleo e lo lascia in uno stato eccitato. Il neutrone perde più energia cinetica che in una collisione elastica, e il nucleo in seguito emette un raggio gamma come de-eccita.

Tipi di Moderatori e loro proprietà

I diversi materiali moderatori presentano dei compromessi unici tra la potenza moderatrice, la sezione trasversale di assorbimento, le proprietà termiche e i costi. I tre più comuni sono l'acqua leggera, l'acqua pesante e la grafite, ma altri candidati esistono per i reattori specializzati.

Acqua leggera (H2O)

L'acqua leggera è il moderatore più utilizzato, utilizzato nei reattori ad acqua pressurizzata (PWRs) e nei reattori ad acqua bollente (BWRs), il suo vantaggio principale è l'elevata potenza moderatrice a causa della bassa massa dell'idrogeno e dell'alta densità di atomi di idrogeno in acqua. Inoltre, l'acqua è elevata come refrigerante e moderatore, semplificando il progetto del reattore.

Acqua pesante (D2O)

L'acqua pesante utilizza il deuterio (^]2]H) invece dell'idrogeno ordinario. La massa del deuterio è circa il doppio del neutrone, ma ha ancora una portata elevata di circa 0,730. La sua sezione di assorbimento dei neutroni termici è solo di 0,001 miliardi di barn, circa 330 volte più bassa di quella dell'acqua leggera.

Grafite (Carbon)

Il gassoso è stato utilizzato fin dai primi reattori, tra cui il Chicago Pile‐1 e il Chernobyl RBMK. Il carbonio (A=12) ha un basso ξ rispetto all'idrogeno o al deuterio, quindi sono necessari più collisioni. Tuttavia, l'estremamente basso assorbimento dei neutroni (circa 0.0035 barni per il carbonio naturale) e l'alta conducibilità termica lo rendono un ottimo moderatore per i reattori a gas raffreddati

Beryllium

Il berillio (A=9) è un altro elemento leggero con buone proprietà di moderazione. La sua sezione trasversale di assorbimento è bassa (circa 0,076 fienili), e la sua potenza di moderazione è ancora più alta di quella della grafite. Il berillilio è usato come riflettore e talvolta come moderatore nei reattori di ricerca e in alcuni reattori spaziali. Tuttavia, è costoso, tossico in forma di polvere e può diventare fragile sotto l'irraggiamento del neutrone.

Altri moderatori

Per applicazioni specializzate, composti come l'idride al litio-7 (⁷]LiH) sono stati studiati per l'uso in razzi termici nucleari a base di solidi-core a causa della loro elevata densità di idrogeno e punto di fusione.

Tempo di termoizzazione e spettro neutro

Il tempo necessario per un neutrone per la termosifonia dipende dalla potenza di rallentamento del moderatore e dalle sezioni di dispersione dell'energia-dipendente. In acqua leggera, un neutrone tipico prende circa 10-20 microsecondi per raggiungere l'energia termica, viaggiando una lunghezza del percorso di 10-30 cm durante il processo.

Efficacia del moderatore comparato

Esistono diverse figure di merito per confrontare i moderatori:

• Potere di modellazione (MP):] Definito come il prodotto della sezione trasversale di dispersione macroscopica e il decremento medio di energia logaritmica, Σ_s[] × ξ. Un valore più alto significa una terminizzazione più rapida.
• Rapto di modifica (MR): MP diviso dalla sezione trasversale di assorbimento macroscopico Σ[_]a[]]. Un rapporto più alto indica che un minor numero di neutroni sono persi all'assorbimento durante la termoizzazione.
• Costo e Disponibilità:[[] L'acqua leggera è a buon mercato e abbondante; l'acqua pesante è costosa; la grafite è moderatamente economica ma richiede la purificazione per evitare impurità di boro.
• Stabilità della radiazione:[[] La grafite accumula energia Wigner; l'acqua si decompone radioliticamente (anche se la ricombinazione è di solito rapida); ZrH può perdere l'idrogeno ad alte temperature.

La seguente tabella riassume le proprietà chiave per i moderatori comuni:

Nota: I valori sono approssimativi per la composizione naturale a temperatura ambiente; l'ossigeno e l'idrogeno in acqua contribuiscono a disperdersi.

Significato dei reattori nucleari

In un nucleo eterogeneo (le barre di combustibile circondate da moderatore), la moderazione di neutroni si verifica principalmente nella regione del moderatore. Se il moderatore si riscalda e la sua densità diminuisce, il potere di moderazione scende, portando ad una riduzione della reattività, questo è il principio del coefficiente di temperatura del moderatore negativo, una caratteristica di sicurezza chiave nei reattori ad acqua leggera.

La termoizzazione di neutroni influisce anche sulla distribuzione del flusso spaziale. In un grande reattore, il flusso termico può raggiungere una distanza dall'interfaccia del motore, perché i neutroni veloci viaggiano a una certa distanza prima di diventare termici. Questo fenomeno di "diffusione di neutroni" è fondamentale per il design del nucleo e per la previsione di picchi di potenza. La lunghezza di rallentamento-down (la distanza viaggiata durante la termoizzazione) è di circa 5-10 cm in acqua leggera, ma può superare 20 in grafo.

Applicazioni Oltre i reattori

La termoizzazione Neutron è importante in molte applicazioni non-power:

• Neutron Diffusore scienza:[ In strutture di ricerca come l'Institut Laue-Langevin (ILL) in Francia o la sorgente di neutroni di Spallation Neutron (SNS) negli Stati Uniti, i raggi di neutroni termici sono utilizzati per sondare la struttura dei materiali.
• Analisi di attivazione Neutron (NAA): I neutroni termici sono ideali per produrre isotopi radioattivi nei campioni per il rilevamento di elementi tracciati. Il processo di termoizzazione nella struttura di irradiazione (spesso un reattore) deve essere ottimizzato per massimizzare il flusso di neutroni termici rispetto ai neutroni veloci.
• La terapia della captura di Boron Neutron (BNCT): Questo trattamento del cancro sperimentale si basa su neutroni termici o epitermici catturati da ^10[B, che poi subisce la fissione, rilasciando particelle alfa che uccidono le cellule tumorali.
• Radiografia nitroniana:[ I neutroni termici possono penetrare materiali leggeri (ad esempio, alluminio, acqua) ma sono dispersi dall'idrogeno, rendendoli ideali per l'immaginazione dell'umidità o dei materiali organici all'interno di involucri metallici.
• L'esplorazione geofisica:[] Nel taglio del foro, i neutroni da una fonte sono termizzati dalle formazioni circostanti. Il tasso di termizzazione rivela il contenuto di idrogeno (cioè acqua o olio) della roccia, consentendo il rilevamento delle risorse.

Sfide e concetti di moderatore avanzato

Nonostante la maturità della tecnologia dei moderatori, la ricerca continua ad affrontare le sfide:

• Danni di radiazione:[ In reattori ad alto flusso, come reattori di prova materiali, i moderatori dell'acqua subiscono la radiolisi, producono gas di idrogeno e ossigeno. I catalizzanti di ricombinazione e i sistemi ad alta pressione mitigano questo, ma rimane un vincolo operativo.
• moderatori ad alta temperatura:[ Per i reattori a temperatura elevata di nuova generazione (VHTRs) che operano sopra i 900°C, la grafite è il moderatore preferito, ma la sua tendenza ad ossidare negli incidenti di ingresso dell'aria deve essere controbilanciata con rivestimenti protettivi o materiali alternativi come ZrH o MgO.
• moderatori di sale liquidi:[] Nei reattori di sale fuso, il combustibile viene dissolto in un sale di fluoro o cloruro. Alcuni disegni usano la grafite come un moderatore solido, che deve essere sostituito periodicamente a causa del gonfiore. La ricerca nei moderatori liquidi (ad esempio, FLiBe) è in corso ma impegnativo a causa della corrosione.
• Modrazione di impulso:[] In fonti di neutroni di spallazione, i moderatori devono produrre brevi impulsi di neutroni termici (durata microseconda) per esperimenti di luce a luce di tempo. Ciò richiede l'ottimizzazione della geometria e della composizione materiale (ad esempio, utilizzando acqua, polietilene o idrogeno liquido) per massimizzare la resa dei neutroni preservando la nitidezza.
• Reattori di particelle: Per i reattori nucleari compatti utilizzati nello spazio (ad esempio, il progetto Kilopower), i moderatori leggeri come l'idruro di yttrium (YH2) sono in fase di sviluppo perché mantengono una densità di idrogeno elevata a temperature elevate (~700°C) mentre sono meno soggetti alla perdita di idrogeno rispetto a ZrH.

Conclusioni

La scelta del moderatore, dell'acqua leggera, dell'acqua pesante, della grafite o dei materiali avanzati, rappresenta l'economia, la sicurezza e la prestazione dei reattori nucleari e degli strumenti a base di neutroni.

Per ulteriori informazioni sulla moderazione dei neutroni, vedere il ]U.S. Nuclear Regulatory Commission's Reactor Concepts Manual] o la La guida diIAEA sulla fisica dei neutroni[].