Kernreactoren zijn wonderen van moderne techniek, waarbij de immense energie die door kernsplijting wordt vrijgemaakt om elektriciteit te genereren wordt benut. In het hart van elke reactor ligt de noodzaak om een kettingreactie te ondersteunen en te beheersen.Een zelfverspreide reeks kernsplijtingsgebeurtenissen. Zonder zorgvuldige beheersing kan een dergelijke reactie gevaarlijk uitbarsten of escaleren. De sleutel tot deze balans is de neutronenmoderator, een materiaal dat neutronen vertraagt tot precies het juiste energieniveau. Dit artikel onderzoekt de natuurkunde, materialen en veiligheidsimplicaties van neutronenmoderatoren, waaruit blijkt waarom ze onmisbaar zijn voor de gecontroleerde kernenergieopwekking.

De natuurkunde van Neutronmoderatie

Wanneer een uranium-235 of plutonium-239 kern splijting ondergaat, geeft deze gewoonlijk twee of drie hoogenergetische neutronen af, die met snelheden van ongeveer 20.000 km/s (energieën van ongeveer 2 MeV) kunnen worden gekruist. Deze [snelle neutronen[] kunnen andere splijtbare kernen splitsen, maar de waarschijnlijkheid (doorsnede) van splijting is relatief laag bij zulke hoge energieën. In een typische licht-waterreactor heeft een snelle neutronen minder dan 10% kans om splijting te veroorzaken voordat deze ontsnapt of wordt geabsorbeerd door niet-brandstofmateriaal. Om een zelf-duurzame kettingreactie te handhaven, moeten de neutronen worden vertraagd of gemodereerd tot thermische energieën[] (ongeveer 0,025 eV, overeenkomend met een snelheid van ongeveer 2,2 km/s). Bij thermische energie is de kernsplitsingssectie voor U-235 ongeveer 600 maal groter dan bij 2 MeV.

De neutronen worden in elke botsing door een deel van de kinetische energie naar de doelkern overgebracht. De lichter van de doelkern (d.w.z. dichter bij de massa van het neutronenmateriaal) wordt door de neutronen een fractie van de kinetische energie naar de doelkern overgebracht. De meest efficiënte moderator per botsing: een neutron kan tot 100% van zijn energie verliezen bij een frontale botsing met een waterstofkern (een proton). In de praktijk zijn veel botsingen nodig om een neutron te vertragen van 2 MeV naar thermische energie. In water (H2O) zijn ongeveer 18 botsingen nodig; in zwaar water (D2O), ongeveer 35; in grafiet (koolstof), ongeveer 115. De moderatorsverhouding[] (een maat van de dissel van de absorptiestroom is het meest effectief voor een bepaald reactorontwerp. Water heeft ook een hoge dissel-down vermogen maar absorbeert neutronen (via waterstofopname), wat het gemiddelde aandeel van het water geeft een zeer hoge mate van de rendement van het water.

Gemeenschappelijke moderatormaterialen

Slechts een handvol materialen voldoet aan de strenge eisen voor een neutronenmoderator: lage atoommassa, lage neutronenabsorptie doorsnede, hoge verstrooiende dwarsdoorsnede, chemische en thermische stabiliteit en betaalbaarheid. De drie meest gebruikte moderatoren worden hieronder beschreven.

Licht water (H2O)

Licht water is de meest voorkomende moderator, die wordt gebruikt in druk-waterreactoren (PWR's) en kokend waterreactoren (BWR's), die samen goed zijn voor het grootste deel van de kerncentrales ter wereld. De voordelen zijn onder meer lage kosten, hoge moderatorefficiëntie en gelijktijdig gebruik als koelvloeistof. De gewone waterstof heeft echter een relatief hoge absorptiedoorsnede voor thermische neutronen (0,32 schuren), die verrijking van de splijtstof nodig heeft tot ongeveer 3 .5% U-2O. De absorptie van neutronen door water draagt ook bij aan de negatieve niet-vacuümcoëfficiënt .Een belangrijke veiligheidsfunctie .maar het beperkt de neutroneneconomie. Lichtwatermoderatoren werken meestal bij hoge druk (rond 150 atm in PWR's) om het water in vloeibare vorm te houden bij verhoogde temperaturen.

Zwaar water (D2O)

Zwaar water (deuteriumoxide) vervangt gewone waterstof door deuterium, een waterstofisotoop met één neutron. Deuterium heeft een veel lagere absorptiedoorsnede (0,0005 schuren) dan waterstof, waardoor zwaar water een zeer efficiënte moderator kan zijn met minimaal neutronenverlies. Dit maakt het gebruik van natuurlijk uranium (0,7% U-235) als brandstof mogelijk, waardoor de behoefte aan verrijking wordt geëlimineerd. Het meest prominente voorbeeld is de CANDU (Canada Deuterium Uranium) reactor, die gebruik maakt van afzonderlijke zwaarwatermoderator en koelvloeistofsystemen. Zwaar water is duur om te produceren (vereist isopreen scheiding van gewoon water), maar de brandstofkosten kunnen aanzienlijk zijn. De hoge moderatorverhouding van zwaar water maakt ook een compactere kern voor een gegeven vermogen mogelijk in vergelijking met grafietgemodereerde ontwerpen.

Grafiet (Carbon)

Grafiet is gebruikt sinds de vroegste kunstmatige kernreactoren . Enrico Fermi

Andere materialen voor de moderator

Beryllium (Be) biedt een uitstekende moderatorratio, maar is duur en giftig, waardoor het gebruik ervan beperkt wordt tot bepaalde onderzoeksreactoren en ruimtekernsystemen. Berylliumoxide (BeO) wordt ook gebruikt in bepaalde nichetoepassingen. Zirconiumhydride[ (ZrH) wordt gebruikt als een gecombineerde moderator en brandstofmatrix in TRIGA onderzoeksreactoren, die inherente veiligheid bieden vanwege de sterke negatieve temperatuurcoëfficiënt. Mollenzouten[ die lichte kernen bevatten (bv. LiF-BeF2) kunnen zowel brandstofdrager als moderator in gesmolten-zoutreactoren (MSR's). Tenslotte [ biologische vloeistoffen] zoals terfenylen zijn getest maar nooit commercieel worden gecommercialiseerd door radiolyticeerd.

Selectiecriteria voor moderator

Het kiezen van een moderator voor een reactor houdt in dat verschillende factoren in evenwicht worden gebracht:

  • Langzame stroom . . . het gemiddelde verlies in logaritmische energie per lengte van het traject (ξ Σs). Hogere waarden betekenen minder botsingen nodig.
  • Moderatieverhouding ..het vertragende vermogen gedeeld door het macroscopische absorptiekruis (ξ Σs / Σa). Een hoge verhouding betekent dat meer neutronen overleven met thermische energieën.
  • Neutronabsorptiedoorsnede .. materialen die te veel neutronen absorberen maken de reactor inefficiënt of vereisen verrijkte brandstof.
  • Kolencompatibiliteit
  • Kosten en beschikbaarheid .. licht water is goedkoop; zwaar water en
  • Radiatiestabiliteit . . De moderator mag niet snel afbreken onder neutronenbestraling. Grafiet ondergaat dimensionale veranderingen (Wigner effect); water kan radiolyse ondergaan (gesplitst in waterstof en zuurstof), waarvoor recombinatiesystemen nodig zijn.
  • Safety characters .. de moderator moet bijdragen tot een negatieve temperatuur of lege coëfficiënt, waardoor de reactor vertraagt of wordt uitgeschakeld als de stroom toeneemt.

Deze overwegingen verklaren waarom licht water ondanks de hogere absorptie de commerciële reactoren domineert: het is goedkoop, gemakkelijk beschikbaar en dient dubbel werk als koelmiddel, wat het algemene systeem vereenvoudigt. Zwaar water wordt gebruikt waar brandstofverrijking niet gewenst is. Grafiet blijft belangrijk voor gasgekoelde en hogetemperatuurontwerpen.

Moderatoren in Reactorontwerp

De rol van de moderator varieert aanzienlijk per reactortype. Hieronder volgt een samenvatting van de wijze waarop moderatoren in grote reactorfamilies integreren.

Reactoren voor drukwater (PWR's) en kokend water (BWR's)

Beide zijn lichtwaterreactoren (LWR's). In PWR's wordt de watermoderator/koelmiddel onder hoge druk gehouden (ongeveer 15,5 MPa) om koken in de kern te voorkomen; warmte wordt via een stoomgenerator overgedragen. In BWR's wordt het water in de kern laten koken, waardoor stoom rechtstreeks voor turbines wordt geproduceerd. De moderator in beide ontwerpen is hetzelfde water dat warmte wegvoert. De negatieve temperatuurcoëfficiënt van water (als water warmt, wordt het minder dicht, dus matiging vermindert) geeft een inherente veiligheidsfeedback: als het reactorvermogen stijgt, neemt de moderatortemperatuur toe, vermindert de reactiviteit en stabiliseert de kern. De lege coëfficiënt in BWR's is nog sterker negatief door stoombellen.

CANDU-reactoren

CANDU-reactoren gebruiken zwaar water[ als moderator en koelvloeistof, maar in afzonderlijke systemen. De moderator bevindt zich in een grote tank (calandria) die de brandstofkanalen omringt en bij lage temperatuur en druk wordt gehouden. De koelvloeistofstroom door de drukbuizen die de brandstof bevatten, werkt bij hogere temperatuur en druk. Deze scheiding laat de moderator koel en dicht blijven, waardoor efficiënte matiging mogelijk is, zelfs als de koelvloeistof warmer wordt. Het vermogen om natuurlijke uraniumbrandstof te gebruiken maakt de CANDU-reactoren brandstofflexibel en minder afhankelijk van verrijkingsinstallaties.

RBMK- en gaskoelreactoren

RBMK-reactoren (Sovjet-ontworpen) gebruiken graphiet[] als moderator en licht water als koelvloeistof. De grafietblokken worden in een grote stapel doorboord door drukbuizen die de brandstof en het koelmiddel bevatten. Dit ontwerp heeft een positieve leegtecoëfficiënt (omdat het grafiet blijft matigen zelfs als het water de brandstof minder effectief koelt), die tot de ramp in Tsjernobyl heeft bijgedragen. Moderne gasgekoelde reactoren zoals de ]Advanced Gas-gekoelde Reactor[ (AGR) gebruiken ook grafiet-bevochtiging met CO2-koelmiddel; de hoge thermische capaciteit van grafiet maakt hoge bedrijfstemperaturen en hoge thermische efficiëntie mogelijk. De High Temperature Gas-gekoelde Reactor[ (HTGR) gebruikt grafiet als moderator en structureel materiaal, met behulp van helium als koelmiddel.

Onderzoek en speciale reactors

TRIGA-reactoren gebruiken zirconiumhydride als moderator, intiem gemengd met de uraniumbrandstof in de splijtstofstaven. Dit geeft een extreem sterke negatieve temperatuurcoëfficiënt: als de brandstof opwarmt, bewegen de waterstofatomen van de moderator sneller en zijn minder effectief, snel dalend reactiviteit. Dit maakt TRIGA-reactoren inherent veilig en populair voor training en isotoopproductie. Snelle reactoren[] werken zonder een moderator (zij gebruiken snelle neutronen), maar sommige ontwerpen omvatten een kleine hoeveelheid moderator om reactiviteit te regelen of bepaalde isotopen te produceren.

Veiligheid en controle door middel van moderatie

De moderator is niet alleen een passieve component die zijn fysieke eigenschappen direct impact reactorveiligheid. Drie belangrijke concepten zijn de temperatuurcoëfficiënt van reactiviteit, de -vermijdcoëfficiënt en de -controlestanginteractie[.

Bij LWR's is de temperatuurcoëfficiënt negatief: naarmate de watertemperatuur toeneemt, neemt de dichtheid ervan af, vermindert het aantal waterstofatomen per volume en vermindert daarmee de matiging. Dit vermindert de thermische neutronenflux en verlaagt de splijtingssnelheid. Deze negatieve feedback is een cruciaal veiligheidskenmerk dat helpt bij het voorkomen van uitwijkstroomexcursies. In zwaarwaterreactoren wordt de moderator koel gehouden en gescheiden van het koelvloeistof, zodat de temperatuurcoëfficiënt van de moderator zelf klein is; de leegtecoëfficiënt van het koelvloeistof wordt echter belangrijk. In CANDU-reactoren wordt de positieve koelvloeistof-vacuüteitscoëfficiënt gecompenseerd door de negatieve moderatortemperatuurcoëfficiënt en door regelsystemen.

Grafietgemodereerde reactoren kunnen een positieve leegtecoëfficiënt hebben als het koelmiddel water is (zoals in RBMK), omdat grafiet ook in de waterkoelvloeistof leegt. Dit was een belangrijke ontwerpfout in de RBMK die tot het ongeval in Tsjernobyl heeft bijgedragen. Moderne grafietgemodereerde gasgekoelde reactoren vermijden dit door gebruik te maken van een koelmiddel dat geen significante invloed heeft op de matiging; ze bevatten ook sterke negatieve temperatuurcoëfficiënten door de uitbreiding van de brandstof.

De regelstaven, die gewoonlijk neutronenabsorberende materialen zoals boor of cadmium bevatten, worden ingebracht om overtollige neutronen te absorberen en de kettingreactie te regelen. De efficiëntie van de moderator beïnvloedt hoeveel regelstaven nodig zijn en waar ze geplaatst worden. In sommige ontwerpen kan de moderator zelf worden aangepast (bijvoorbeeld door het zware waterniveau in een CANDU reactor te variëren) om reactiviteit te regelen zonder bewegende regelstaven.

Geavanceerde en toekomstige moderator concepten

Onderzoek naar nieuwe reactoren van de volgende generatie is bezig met het verkennen van nieuwe moderatortechnologieën. [Molten-zoutreactoren (MSR's) kunnen een mengsel van lithiumfluoride en

Een andere weg is metaalhydridemoderatoren zoals zirkoniumhydride (reeds gebruikt in TRIGA) voor kleine modulaire reactoren (SMR's) en microreactoren. Deze zorgen voor een hoge waterstofdichtheid per volume, wat leidt tot zeer compacte kernen. Onderzoek naar hydridemoderatoren omvat het verbeteren van de stralingsweerstand en het voorkomen van waterstofverlies bij hoge temperaturen. [Natte-zout en gefluïdiseerd-bed reactoren[] kunnen vloeibare moderatoren gebruiken die snel kunnen worden afgevoerd voor nooduitschakeling, waarbij een passieve veiligheidsfunctie wordt toegevoegd.

Ten slotte wint het concept van een moderator als regelelement interesse: door temperatuur-controle vloeistoffen of door de effectieve dichtheid van de moderator te variëren (bijvoorbeeld door het invoegen van leegtes of het regelen van een vloeistof moderator niveau), kunnen reactoren fijne reactiviteitscontrole bereiken zonder bewegende mechanische onderdelen. Dit kan het ontwerp vereenvoudigen en de betrouwbaarheid verbeteren.

Conclusie

Neutron moderators zijn van fundamenteel belang voor de gecontroleerde afgifte van kernenergie. Door de kinetische energie van kernsplijtings neutronen te verminderen tot thermische niveaus, maken ze efficiënte en stabiele kettingreacties mogelijk in reactoren die gebruik maken van thermische neutronenspectra. De keuze van moderator .licht water, zwaar water, grafiet, of geavanceerde materialen zoals hydriden .beëindigt de belangrijkste aspecten van een reactor ontwerp . brandstofeisen , veiligheidskenmerken , en kosten . Het begrijpen van de fysica van matiging en de trade-offs tussen materialen is essentieel voor zowel het gebruik van bestaande reactoren en de ontwikkeling van de volgende generatie systemen . Naarmate de wereld zoekt koolstofvrije .. energie , zullen verbeterde moderator technologieën een cruciale rol blijven spelen in het maken van nucleaire energie veiliger , efficiënter en veelzijdiger .

Zie voor nadere lezing het Wikipedia-artikel over neutronenmoderatoren, de V.NRC-glossarium, en een gedetailleerde bespreking van moderatorfysica in ]WetenschapDirecte informatie engineering overzicht.