L'interazione dei neutroni con la materia è al centro della fisica dei reattori nucleari e della schermatura delle radiazioni. Un parametro chiave che governa queste interazioni è la sezione trasversale dei neutroni, che quantifica la probabilità che un dato nucleo subisca una reazione specifica con un neutrone incidente. Questo concetto è essenziale per capire come i neutroni si comportano in diversi materiali, in particolare i moderatori utilizzati per rallentare i neutroni veloci alle energie termiche.

Cos'è una Sezione Croce di Neutron?

Definizione e significato fisico

Una sezione trasversale di neutroni è una misura dell'area bersaglio efficace che un nucleo presenta a un neutrone ed è espressa in unità di fienili (1 barn = 10]−24 cm2). Rappresenta la probabilità di una specifica interazione, come spargimento, assorbimento o fissione, che occupa quando un neutrone passa attraverso un materiale.

Tipi di interazioni Neutron

I neutroni interagiscono con i nuclei attraverso diversi meccanismi distinti, ciascuno caratterizzato dal proprio profilo trasversale. Le categorie più importanti includono:

  • spargimento elastico (n,n): Il neutrone viene defletto dal nucleo, condividendo energia cinetica, preservando l'energia cinetica totale. Questo processo è il mezzo principale per rallentare i neutroni nei moderatori.
  • spargimento inelastice (n,n′): Il neutrone eccita il nucleo, perdendo energia che viene poi emessa come raggio gamma. Questa interazione è più significativa per nuclei pesanti e neutroni veloci.
  • ] La cattura radiativa (n,γ): Il neutrone viene assorbito dal nucleo, che poi rilascia l'energia legante come radiazione gamma. L'assorbimento della sezione trasversale (σa])) regola la perdita di neutroni nei materiali del reattore.
  • Fissione (n,f): Il neutrone induce il nucleo a dividersi in due nuclei più leggeri, liberando energia e neutroni aggiuntivi.

La sezione totale (σt[]) è la somma di tutte le sezioni parziali e rappresenta la probabilità generale di qualsiasi interazione. Per i moderatori, il rapporto di dispersione all'assorbimento della sezione trasversale è una figura critica di merito.

Dipendenza energetica delle sezioni

I neutroni sono fortemente dipendenti dall'energia dei neutroni incidenti, rendendo essenziale considerare lo spettro dei neutroni quando si valutano le prestazioni dei moderatori. A basse energie (regione termica, ~0.025 eV), le sezioni trasversali di assorbimento di assorbimento di neutroni spesso seguono una legge 1/v, diminuendo come aumenta la velocità di neutroni.

Il ruolo dei moderatori nei reattori nucleari

Perché i neutroni lenti sono necessari

I neutroni prodotti in reazioni di fissione sono veloci, con energie che mediano circa 2 MeV. In queste alte energie, la probabilità di indurre una ulteriore fissione in uranio-235 è relativamente bassa. Tuttavia, poiché i neutroni perdono energia e raggiungono l'equilibrio termico con il materiale circostante (tipicamente a circa 0,025 eV a temperatura ambiente), la sezione di fissione di U-235 aumenta notevolmente - da un fattore di diverse centinaia rispetto alle croci veloci.

La Fisica della Moderazione

Il rapporto energetico (LT) è il più grande quando il nucleo di destinazione ha una massa vicino a quello del neutrone, per cui l'idrogeno (con una massa di 1) è il moderatore più efficiente in termini di perdita di energia per collisione.

Proprietà chiave di un Moderatore efficace

  • Sezione trasversale di dispersione elevata: Per garantire frequenti interazioni con i neutroni, portando a una rapida termizzazione.
  • Sotto sezione trasversale di assorbimento: Per minimizzare la perdita di neutroni e mantenere un'economia di neutroni alta.
  • Grande perdita di energia per collisione:[] Conseguita con una massa atomica bassa, permettendo meno collisioni per raggiungere l'energia termica.
  • L'alto rapporto di moderazione:[] Il prodotto di potere di rallentamento e l'inverso della sezione trasversale di assorbimento, fornendo una misura completa della qualità dei moderatori.
  • Stabilità fisica e chimica:[ Il materiale deve resistere ad alte temperature, danni alle radiazioni e mantenere l'integrità durante la vita del reattore.

Materiali Moderatori comuni e loro profili di sezione trasversale

Quattro materiali sono stati ampiamente utilizzati come moderatori nei reattori di potenza nucleare: acqua leggera (H2O), acqua pesante (D2O), grafite (carbonio), berillio. Ciascuna delle due parti presenta una combinazione unica di sezioni trasversali di dispersione e assorbimento che influenza direttamente la sua idoneità per diversi sistemi di reattore.

Acqua leggera (H2O)

L'acqua leggera è il più comune moderatore, utilizzato nei reattori ad acqua pressurizzata (PWR) e nei reattori ad acqua bollente (BWRs). L'idrogeno ha un alto valore di dispersione elastica per neutroni a bassa energia: la sezione microscopica di neutroni fertili è di circa 20 barni per neutroni termici, mentre la sezione trasversale di assorbimento è di circa 0,3 barili.

Acqua pesante (D2O)

Il deuterio è un reattore ad acqua pesante, che ha una sezione trasversale di assorbimento molto inferiore per i neutroni termici: circa 0,005 barni, rispetto a 0,3 barni per l'idrogeno. La sezione trasversale di deuterio è anche più bassa (circa 16 barni), ma il rapporto di moderazione generale di acqua pesante supera 12.000, rendendolo un moderatore eccezionale con perdita di neutroni trascurabili.

Grafite (Carbon)

I risultati ottenuti sono:

Beryllium

Il berillio (9Be) è un moderatore meno comune, utilizzato principalmente nei reattori di ricerca e in alcune applicazioni nucleari spaziali per le sue buone proprietà di moderazione e il punto di fusione elevato.

Confronto tra le stazioni di navigazione Neutron

Per confrontare quantitativamente l'efficacia di questi moderatori, la tabella seguente riassume i dati nucleari chiave per neutroni termici (0.0253 eV) a temperatura ambiente, derivati da librerie di sezione standard:

  • Hydrogen (in H2O):[] σ] ≈ 20 barni (atomo di uscita), σa] ≈ 0.33 barni, massa atomica = 1.0, ξ = 1.000. Rapporto moderatore ≈ 70.
  • Deuterium (in D2O):[] σ] ≈ 16 fienili, σa] ≈ 0.0005 fienili, massa atomica = 2.0, ξ ≈ 0.725. Rapporto moderatore > 12.000.
  • Carbon (graphite):] σ]s[] ≈ 4.7 fienili, σ]a] ≈ 0.0035 fieni, massa atomica = 12.0, ξ ≈ 0.158. Rapporto moderatore ≈ 200.
  • Beryllium:[]] σ]s[] ≈ 6.0 fienili, σ]a ≈ 0.009 fieni, massa atomica = 9.0, ξ ≈ 0.207. Rapporto moderatore ≈ 150.

Si noti che la sezione trasversale di dispersione del limite per l'idrogeno in acqua è superiore al valore di free-atom a causa di effetti di dispersione coerenti dal legame molecolare.Questo miglioramento è fondamentale per derivare i parametri di rallentamento corretto nei reattori di acqua leggera. I dati mostrano chiaramente che l'acqua pesante ha di gran lunga il più basso assorbimento trasversale, rendendolo il moderatore più efficiente, mentre la grafite offre un forte equilibrio di basso assorbimento e moderata di acqua.

Implicazioni per il design reattore e la Neutronica

Selezione moderatore e configurazione del core

I dati di sezione trasversale influenzano direttamente la progettazione dei nuclei del reattore. Nei reattori ad acqua leggera (PWRs, BWRs), la sezione trasversale ad alto assorbimento dell'idrogeno significa che il nucleo deve essere compatto e che il combustibile deve essere arricchito per compensare le perdite di neutroni. Il nucleo è tipicamente una disposizione eterogenea di barre di combustibile circondate dall'acqua, che agisce come moderatore e refrigerante.

Nei reattori ad acqua pesante come CANDU, il basso assorbimento del deuterio consente l'uso di uranio naturale. Il nucleo è più grande e il moderatore è separato dal refrigerante. Il design CANDU utilizza tubi di pressione riempiti con refrigerante ad acqua pesante e combustibile, circondati da un più grande serbatoio di moderatore ad acqua pesante a temperatura e pressione strutturale.

I reattori a bassa temperatura (in particolare i reattori a bassa temperatura) possono essere utilizzati come moderatore, con elio, anidride carbonica, o acqua leggera come il refrigerante.

Sensibilità e analisi degli infortuni

I dati di precisione delle sezioni trasversali sono essenziali per la modellazione di scenari di comportamento e di incidente. Ad esempio, in un incidente di perdita di raffreddamento (LOCA) in un PWR, la densità di raffreddamento/moderatore diminuisce rapidamente, alterando le caratteristiche di moderazione e assorbimento dei neutroni. La scomparsa dell'acqua riduce la densità di idrogeno, spostando lo spettro di neutroni in energie più elevate, che possono diminuire o aumentare la reattività a seconda dei dati di base del core

Per i reattori ad acqua pesante, la produzione di tritium attraverso la cattura di neutroni da deuterio (2H(n,γ)3H) è un fattore significativo. L'assorbimento della sezione trasversale del deuterio, anche se piccolo, diventa importante per il lungo funzionamento di un reattore di CANDU, che porta ad un accumulo di tritium nel moderatore e refrigerante.

Concetti Moderatori avanzati ed emergenti

Metal Hydrides e Novel Materials

Oltre ai moderatori classici, la ricerca continua su idridi metallici come l'idride dello zirconio (ZrH2) e l'idrogeno (TiH2). Questi materiali offrono una densità di idrogeno elevata (simile all'acqua) ma con un assorbimento significativamente inferiore delle sezioni trasversali dell'acqua, perché gli atomi metallici hanno un basso assorbimento.

Moderatori di sale liquidi e molten

In alcuni concetti avanzati del reattore, il moderatore è separato dal refrigerante, e nuovi materiali come i sali fusi (ad esempio, FLiBe, una miscela di fluoro di litio e fluoruro di berillio) possono servire come vettore di combustibile e moderatore.

Conclusioni

Il rapporto di produzione di gas ad alta intensità di neutroni, che consente di ridurre al minimo i costi di produzione, e di ridurre al minimo i costi di produzione dei reattori, e di aumentare la produttività dei reattori, nonché di ridurre i costi di produzione dei reattori, nonché di ridurre i costi di produzione dei reattori.