Moderador nuclear
En ingeniería nuclear, un moderador de neutrones es un medio que reduce la velocidad de los neutrones rápidos, idealmente sin capturarlos, dejándolos como partículas térmicas con solo una mínima energía cinética.
Estos neutrones térmicos son inmensamente más susceptibles que los neutrones rápidos a propagar una reacción nuclear en cadena de uranio-235 u otros isótopos fisibles al chocar con sus núcleos atómicos.
Los neutrones normalmente están unidos a un núcleo atómico y no existen libres por mucho tiempo en la naturaleza.
De manera más general, es necesario tener en cuenta tanto las colisiones indirectas como las frontales.
La eficiencia moderadora da la relación entre las secciones transversales macroscópicas de dispersión,
Por lo tanto, los neutrones son moderados más rápidamente por el agua ligera, ya que H tiene un
Debido a que en un evento de fisión de uranio se liberan más neutrones que los neutrones térmicos necesarios para iniciar el proceso, la reacción puede volverse autosostenida (una reacción en cadena) en condiciones controladas, liberando así una enorme cantidad de energía (consúltese el artículo sobre la fisión nuclear).
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 causen más fisiones en los núcleos vecinos del 235U y, por lo tanto, poder continuar la reacción en cadena.
Un reactor de neutrones rápidos no utiliza moderador, sino que depende de la fisión producida por neutrones rápidos no moderados para sostener la reacción en cadena.
El agua pesada ralentizará una porción significativa de neutrones hasta la resonancia integral del 238U, aumentando 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 cantidad que se proporcione muy poca moderación para mantener la reacción.
Los buenos moderadores, como el boro, deben estar libres de impurezas que absorban neutrones.
El Programa Nuclear Nazi sufrió un revés sustancial cuando sus económicos moderadores de grafito no funcionaron.
Dado que el programa alemán en tiempos de guerra nunca descubrió este problema, se vieron obligados a utilizar moderadores mucho más caros y difíciles de obtener como el agua pesada.
[10] 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 casi de la misma manera, solo con velocidades ligeramente diferentes.
El moderador de agua ligera, mucho más económico (esencialmente agua normal muy pura), absorbe demasiados neutrones para usarse con uranio natural no enriquecido y, por lo tanto, se necesita uranio enriquecido o reprocesamiento nuclear para operar dichos reactores, lo que aumenta los costos generales.
Actualmente se están desarrollando sistemas de reprocesamiento que reduzcan este problema.
Sin embargo, cualquier agua pesada que se mezcle con el agua ligera del refrigerante de emergencia se diluirá demasiado para ser útil sin la posterior separación de isótopos.
Las primeras especulaciones sobre las armas nucleares suponían que una "bomba atómica" sería una gran cantidad de material isótopo fisible, controlada por un moderador de neutrones, y similar en estructura a un reactor nuclear o "pila".
[12][13] En 1943 Robert Oppenheimer y Niels Bohr consideraron la posibilidad de utilizar una "pila" como arma.
Sin embargo, el plutonio se puede producir ("criar") con una pureza isotópica suficiente como para poder utilizarlo en una bomba, y luego "sólo" debía 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 Proyecto Uranio, enterrado 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 los neutrones ralentizados por muchas colisiones con un moderador".
[15] El programa alemán, que había estado 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.
Si tenían éxito, los dispositivos también podrían conducir a un núcleo primario compacto que contuviese una cantidad mínima de material fisionable y lo suficientemente potente como para producir la ignición del arma termonuclear denominada RAMROD[17]: 149 diseñada en ese momento por la UCRL (el Laboratorio de la Universidad de California).
Para un núcleo primario de "hidruro", el grado de compresión no sería suficiente para que el deuterio se fusionara, pero el diseño podría someterse a refuerzo, aumentando considerablemente su rendimiento.
El núcleo probado en Ray utilizó uranio poco enriquecido en U235, y en ambos casos el deuterio actuó como moderador de neutrones.
Esto hace que la contención de la explosión sea un problema; la inercia que se utiliza para confinar las bombas del tipo de implosión no podrá limitar la reacción.
[21][22] Otros materiales con núcleos ligeros no son adecuados por diversas razones.
