En ingeniería nuclear , un moderador de neutrones es un medio que reduce la velocidad de los neutrones rápidos , idealmente sin capturar ninguno, dejándolos como neutrones térmicos con sólo una mínima energía cinética (térmica) . Estos neutrones térmicos son inmensamente más susceptibles que los neutrones rápidos a propagar una reacción nuclear en cadena de uranio-235 u otro isótopo fisionable al chocar con su núcleo atómico .
El agua (a veces llamada "agua ligera" en este contexto) es el moderador más utilizado (aproximadamente el 75% de los reactores del mundo). El grafito sólido (20% de los reactores) y el agua pesada (5% de los reactores) son las principales alternativas. [1] El berilio también se ha utilizado en algunos tipos experimentales y se han sugerido los hidrocarburos como otra posibilidad.
Los neutrones normalmente están unidos a un núcleo atómico y no existen libres por mucho tiempo en la naturaleza. El neutrón libre tiene una vida media de 10 minutos y 11 segundos . La liberación de neutrones del núcleo requiere exceder la energía de enlace del neutrón, que suele ser de 7 a 9 MeV para la mayoría de los isótopos . Las fuentes de neutrones generan neutrones libres mediante una variedad de reacciones nucleares, incluidas la fisión nuclear y la fusión nuclear . Cualquiera que sea la fuente de neutrones, se liberan con energías de varios MeV.
Según el teorema de equipartición , la energía cinética promedio , puede relacionarse con la temperatura , mediante:
donde es la masa del neutrón, es la velocidad promedio de los neutrones al cuadrado y es la constante de Boltzmann . [2] [3] La temperatura característica de los neutrones de varios MeV es de varias decenas de miles de millones de Kelvin .
La moderación es el proceso de reducción de la alta velocidad inicial (alta energía cinética) del neutrón libre. Dado que la energía se conserva, esta reducción de la velocidad de los neutrones se produce mediante transferencia de energía a un material llamado moderador .
La probabilidad de dispersión de un neutrón desde un núcleo viene dada por la sección transversal de dispersión . Las primeras colisiones con el moderador pueden tener una energía suficientemente alta como para excitar el núcleo del moderador. Tal colisión es inelástica , ya que parte de la energía cinética se transforma en energía potencial al excitar algunos de los grados de libertad internos del núcleo para formar un estado excitado . A medida que disminuye la energía del neutrón, las colisiones se vuelven predominantemente elásticas , es decir, la energía cinética total y el momento del sistema (el del neutrón y el núcleo) se conservan.
Dadas las matemáticas de las colisiones elásticas , como los neutrones son muy livianos en comparación con la mayoría de los núcleos, la forma más eficiente de eliminar energía cinética del neutrón es elegir un núcleo moderador que tenga una masa casi idéntica.
Una colisión de un neutrón, que tiene una masa de 1, con un núcleo de 1 H (un protón ) podría provocar que el neutrón pierda prácticamente toda su energía en una sola colisión frontal. De manera más general, es necesario tener en cuenta tanto las colisiones indirectas como las frontales. La reducción logarítmica media de la energía de los neutrones por colisión depende únicamente de la masa atómica del núcleo y viene dada por:
. [4]
Esto puede aproximarse razonablemente a una forma muy simple . [5] De esto se puede deducir el número esperado de colisiones del neutrón con núcleos de un tipo determinado que se requiere para reducir la energía cinética de un neutrón de a
Algunos núcleos tienen secciones transversales de absorción más grandes que otros, lo que elimina los neutrones libres del flujo . Por lo tanto, un criterio adicional para un moderador eficiente es aquel para el cual este parámetro es pequeño. La eficiencia moderadora da la relación de las secciones transversales macroscópicas de dispersión, ponderadas por divididas por las de absorción, es decir ,. [4] Para un moderador compuesto compuesto por más de un elemento, como agua ligera o pesada, es necesario tener en cuenta el efecto moderador y absorbente tanto del isótopo de hidrógeno como del átomo de oxígeno para calcularlo . Para llevar un neutrón de una energía de fisión de 2 MeV a una de 1 eV se esperan 16 y 29 colisiones para H 2 O y D 2 O, respectivamente. Por lo tanto, los neutrones son moderados más rápidamente por el agua ligera, ya que el H tiene un . Sin embargo, también tiene una eficiencia mucho mayor , de modo que la eficiencia moderadora es casi 80 veces mayor para el agua pesada que para el agua ligera. [4]
El moderador ideal es de baja masa, sección transversal de alta dispersión y sección transversal de baja absorción .
Después de suficientes impactos, la velocidad del neutrón será comparable a la velocidad de los núcleos dada por el movimiento térmico; este neutrón se denomina entonces neutrón térmico y el proceso también puede denominarse termalización . Una vez en equilibrio a una temperatura determinada, la distribución de velocidades (energías) esperadas de esferas rígidas que se dispersan elásticamente viene dada por la distribución de Maxwell-Boltzmann . Esto sólo se modifica ligeramente en un moderador real debido a la dependencia de la velocidad (energía) de la sección transversal de absorción de la mayoría de los materiales, de modo que los neutrones de baja velocidad se absorben preferentemente, [5] [6] de modo que la verdadera distribución de velocidad de neutrones en el núcleo sería ligeramente más caliente de lo previsto.
En un reactor de neutrones térmicos , el núcleo de un elemento combustible pesado como el uranio absorbe un neutrón libre de movimiento lento , se vuelve inestable y luego se divide (" fisiones ") en dos átomos más pequeños (" productos de fisión "). El proceso de fisión de núcleos de 235 U produce dos productos de fisión, dos o tres neutrones libres de rápido movimiento , más una cantidad de energía que se manifiesta principalmente en la energía cinética de los productos de fisión en retroceso. Los neutrones libres se emiten con una energía cinética de ~2 MeV cada uno. Debido a que en un evento de fisión de uranio se liberan más neutrones libres que los neutrones térmicos necesarios para iniciar el evento, la reacción puede volverse autosostenida (una reacción en cadena ) en condiciones controladas, liberando así una enorme cantidad de energía (ver artículo sobre fisión nuclear ). .
La probabilidad de que se produzcan más fisiones está determinada por la sección transversal de la fisión , que depende de la velocidad (energía) de los neutrones incidentes. En el caso de los reactores térmicos, es mucho menos probable (aunque no incapaz) que los neutrones de alta energía en el rango del MeV causen más fisiones. Los neutrones rápidos recién liberados, que se mueven a aproximadamente el 10% de la velocidad de la luz , deben ser ralentizados o "moderados", normalmente a velocidades de unos pocos kilómetros por segundo, si se quiere que provoquen más fisiones en los 235 U vecinos. núcleos y así continuar la reacción en cadena. Esta velocidad resulta ser equivalente a temperaturas en el rango de unos pocos cientos de grados Celsius.
En todos los reactores moderados, algunos neutrones de todos los niveles de energía producirán fisión, incluidos los neutrones rápidos. Algunos reactores están más termalizados que otros; por ejemplo, en un reactor CANDU casi todas las reacciones de fisión son producidas por neutrones térmicos, mientras que en un reactor de agua a presión (PWR) una parte considerable de las fisiones son producidas por neutrones de mayor energía. En el reactor de agua supercrítica refrigerado por agua (SCWR) propuesto, la proporción de fisiones rápidas puede superar el 50%, lo que lo convierte técnicamente en un reactor de neutrones rápidos .
Un reactor rápido no utiliza moderador, sino que depende de la fisión producida por neutrones rápidos no moderados para sostener la reacción en cadena. En algunos diseños de reactores rápidos, hasta un 20% de las fisiones pueden proceder de la fisión directa de neutrones rápidos del uranio-238 , un isótopo que no es fisible en absoluto con neutrones térmicos.
Los moderadores también se utilizan en fuentes de neutrones que no son reactores , como el plutonio - berilio (utilizando el9
Ser ( α ,n)12
reacción C ) y fuentes de espalación (usando reacciones ( p ,xn) con elementos pesados ricos en neutrones como objetivos).
La forma y ubicación del moderador pueden influir en gran medida en el coste y la seguridad de un reactor. Clásicamente, los moderadores eran bloques mecanizados con precisión de grafito de alta pureza [7] [8] con conductos integrados para disipar el calor. Estaban en la parte más caliente del reactor y, por tanto, sujetos a corrosión y ablación . En algunos materiales, incluido el grafito , el impacto de los neutrones con el moderador puede provocar que el moderador acumule cantidades peligrosas de energía de Wigner . Este problema condujo al infame incendio de Windscale en Windscale Piles, un complejo de reactores nucleares en el Reino Unido, en 1957. En un reactor moderado por grafito enfriado con dióxido de carbono, donde el refrigerante y el moderador están en contacto entre sí, la reacción de Boudouard debe ser tenido en cuenta. Este también es el caso si los elementos combustibles tienen una capa exterior de carbono (como en algunos combustibles TRISO ) o si una capa interna de carbono queda expuesta por falla de una o varias capas externas.
Los moderadores de algunos reactores de lecho de guijarros no sólo son simples, sino también económicos: [ cita requerida ] el combustible nuclear está incrustado en esferas de carbono pirolítico apto para reactores , aproximadamente del tamaño de pelotas de tenis . Los espacios entre las bolas sirven como conductos. El reactor funciona por encima de la temperatura de recocido de Wigner para que el grafito no acumule cantidades peligrosas de energía de Wigner .
En los reactores CANDU y PWR , el moderador es agua líquida ( agua pesada para CANDU, agua ligera para PWR). En caso de un accidente por pérdida de refrigerante en un PWR, el moderador también se pierde y la reacción se detendrá. Este coeficiente de vacío negativo es una característica de seguridad importante de estos reactores. En CANDU, el moderador está ubicado en un circuito de agua pesada separado, que rodea los canales de refrigerante de agua pesada presurizada. El agua pesada ralentizará una parte importante de los neutrones hasta la integral de resonancia de238
U aumenta la captura de neutrones en este isótopo que constituye más del 99% del uranio en el combustible CANDU, disminuyendo así la cantidad de neutrones disponibles para la fisión. Como consecuencia, eliminar parte del agua pesada aumentará la reactividad hasta que se elimine tanta que se proporcione muy poca moderación para mantener la reacción. Este diseño proporciona a los reactores CANDU un coeficiente de vacío positivo , aunque la cinética de neutrones más lenta de los sistemas moderados con agua pesada compensa esto, lo que lleva a una seguridad comparable a la de los PWR. [9] En el RBMK moderado por grafito y enfriado por agua ligera , un tipo de reactor concebido originalmente para permitir la producción de plutonio apto para armas y grandes cantidades de calor utilizable mientras se utiliza uranio natural y se renuncia al uso de agua pesada, el refrigerante de agua ligera actúa principalmente como un absorbente de neutrones y, por tanto, su eliminación en un accidente por pérdida de refrigerante o mediante la conversión de agua en vapor aumentará la cantidad de neutrones térmicos disponibles para la fisión. Tras el accidente nuclear de Chernobyl, el problema se solucionó de modo que todos los reactores del tipo RBMK que aún están en funcionamiento tienen un coeficiente de vacío ligeramente negativo, pero ahora requieren un mayor grado de enriquecimiento de uranio en su combustible.
Los buenos moderadores están libres de impurezas que absorben neutrones, como el boro . En las centrales nucleares comerciales, el moderador suele contener boro disuelto. Los operadores pueden cambiar la concentración de boro del refrigerante del reactor agregando ácido bórico o diluyéndolo con agua para manipular la potencia del reactor. El programa nuclear nazi sufrió un revés sustancial cuando sus moderadores de grafito económicos dejaron de funcionar. En aquella época, la mayoría de los grafitos se depositaban sobre electrodos de boro y el grafito comercial alemán contenía demasiado boro. Dado que el programa alemán en tiempos de guerra nunca descubrió este problema, se vieron obligados a utilizar moderadores de agua pesada mucho más caros . Este problema fue descubierto por el famoso físico Leó Szilárd [ cita necesaria ]
Algunos moderadores son bastante caros, por ejemplo el berilio y el agua pesada apta para reactores. El agua pesada de grado reactor debe tener una pureza del 99,75% para permitir reacciones con uranio no enriquecido. Esto es difícil de preparar porque el agua pesada y el agua normal forman los mismos enlaces químicos casi de la misma manera, a velocidades sólo ligeramente diferentes .
El moderador de agua ligera, mucho más barato (esencialmente agua corriente muy pura), absorbe demasiados neutrones para ser utilizado con uranio natural no enriquecido y, por lo tanto, el enriquecimiento de uranio o el reprocesamiento nuclear se vuelven necesarios para operar dichos reactores, lo que aumenta los costos generales. Tanto el enriquecimiento como el reprocesamiento son procesos costosos y tecnológicamente desafiantes y, además, tanto el enriquecimiento como varios tipos de reprocesamiento pueden usarse para crear material utilizable para armas, lo que genera preocupaciones de proliferación . Actualmente se están desarrollando sistemas de reprocesamiento que sean más resistentes a la proliferación. [ cita necesaria ]
El moderador del reactor CANDU también funciona como elemento de seguridad. Un gran tanque de agua pesada a baja temperatura y presión modera los neutrones y también actúa como disipador de calor en condiciones extremas de accidente con pérdida de refrigerante . Está separado de las barras de combustible que realmente generan el calor. El agua pesada es muy eficaz para ralentizar (moderar) los neutrones, lo que confiere a los reactores CANDU su característica importante y definitoria de alta " economía de neutrones ". A diferencia de un reactor de agua ligera, donde agregar agua al núcleo en un accidente podría proporcionar moderación suficiente para hacer que un conjunto subcrítico vuelva a ser crítico, los reactores de agua pesada disminuirán su reactividad si se agrega agua ligera al núcleo, lo que proporciona otra característica de seguridad importante en el caso de determinados escenarios de accidente. Sin embargo, cualquier agua pesada que se mezcle con el agua ligera del refrigerante de emergencia se diluirá demasiado para ser útil sin la separación de isótopos.
Las primeras especulaciones sobre las armas nucleares suponían que una "bomba atómica" sería una gran cantidad de material fisible , moderado por un moderador de neutrones, similar en estructura a un reactor o "pila" nuclear. [10] Sólo el proyecto Manhattan abrazó la idea de una reacción en cadena de neutrones rápidos en uranio o plutonio metálico puro . Los estadounidenses también consideraron otros diseños moderados; Las propuestas incluían el uso de deuteruro de uranio como material fisionable. [11] [12] En 1943, Robert Oppenheimer y Niels Bohr consideraron la posibilidad de utilizar una "pila" como arma. [13] La motivación fue que con un moderador de grafito sería posible lograr la reacción en cadena sin el uso de ninguna separación de isótopos . Sin embargo, el plutonio se puede producir ("criar") con una pureza isotópica suficiente para poder utilizarlo en una bomba y luego "sólo" debe separarse químicamente, un proceso mucho más fácil que la separación de isótopos, aunque sigue siendo un desafío. En agosto de 1945, cuando la información sobre el bombardeo atómico de Hiroshima fue transmitida a los científicos del programa nuclear alemán , enterrados en Farm Hall en Inglaterra, el científico jefe Werner Heisenberg planteó la hipótesis de que el dispositivo debía haber sido "algo así como un reactor nuclear, con el neutrones ralentizados por muchas colisiones con un moderador". [14] El programa alemán, que había sido mucho menos avanzado, ni siquiera había considerado la opción del plutonio y no descubrió un método factible de separación de isótopos a gran escala en el uranio.
Después del éxito del proyecto Manhattan, todos los principales programas de armas nucleares se han basado en neutrones rápidos en sus diseños de armas. La excepción notable son las explosiones de prueba de Ruth y Ray de la Operación Upshot-Knothole . El objetivo de los diseños del Laboratorio de Radiación de la Universidad de California era la exploración de una carga de polietileno deuterado que contenía uranio [15] : capítulo 15 como candidato a combustible termonuclear, [16] : 203 con la esperanza de que el deuterio se fusionara (convirtiéndose en un medio activo) si se comprimiera adecuadamente. . Si tienen éxito, los dispositivos también podrían conducir a una primaria compacta que contenga una cantidad mínima de material fisionable y lo suficientemente potente como para encender RAMROD [16] : 149 un arma termonuclear diseñada por la UCRL en ese momento. Para un primario de "hidruro", el grado de compresión no haría que el deuterio se fusionara, pero el diseño podría someterse a refuerzo, aumentando considerablemente el rendimiento. [17] : 258 Los núcleos consistían en una mezcla de deuteruro de uranio (UD 3 ), [16] : 202 y polietileno deuterado. El núcleo probado en Ray utilizó uranio poco enriquecido en U 235 , y en ambos disparos el deuterio actuó como moderador de neutrones. [17] : 260 El rendimiento previsto era de 1,5 a 3 kt para Ruth (con un rendimiento potencial máximo de 20 kt [18] : 96 ) y de 0,5 a 1 kt para Ray . Las pruebas produjeron rendimientos de 200 toneladas de TNT cada una; Ambas pruebas fueron consideradas fracasadas . [11] [12]
El principal beneficio de utilizar un moderador en un explosivo nuclear es que la cantidad de material fisionable necesaria para alcanzar la criticidad puede reducirse considerablemente. La desaceleración de los neutrones rápidos aumentará la sección transversal para la absorción de neutrones , reduciendo la masa crítica . Sin embargo, un efecto secundario es que a medida que avanza la reacción en cadena, el moderador se calentará, perdiendo así su capacidad de enfriar los neutrones.
Otro efecto de la moderación es que aumenta el tiempo entre generaciones posteriores de neutrones, lo que ralentiza la reacción. Esto hace que la contención de la explosión sea un problema; la inercia que se utiliza para confinar bombas de tipo implosión no podrá limitar la reacción. El resultado puede ser un fracaso en lugar de una explosión.
Por tanto, el poder explosivo de una explosión totalmente moderada es limitado; en el peor de los casos, puede ser igual al de un explosivo químico de masa similar. Citando de nuevo a Heisenberg: "Nunca se puede hacer un explosivo con neutrones lentos, ni siquiera con la máquina de agua pesada, ya que entonces los neutrones sólo van con velocidad térmica, con el resultado de que la reacción es tan lenta que la cosa explota antes, antes de que La reacción está completa." [19]
Si bien una bomba nuclear que funcione con neutrones térmicos puede resultar poco práctica, los diseños de armas modernas aún pueden beneficiarse de cierto nivel de moderación. Un tamper de berilio utilizado como reflector de neutrones también actuará como moderador. [20] [21]
Otros materiales con núcleos ligeros no son adecuados por diversas razones. El helio es un gas y requiere un diseño especial para lograr una densidad suficiente; el litio -6 y el boro -10 absorben neutrones.
