Moderator neutronów

Moderator neutronów

Moderator jest substancją, dzięki której powstałe w procesie rozszczepienia prędkie neutrony zostają spowolnione. Dzięki moderatorowi mogą one wydajnie zainicjować kolejne reakcje rozszczepienia.

Jakie właściwości powinien posiadać dobry moderator?

Jaki materiał nadaje się najlepiej na moderator?

Dobry materiał moderatora cechują następujące właściwości:

1. jądra atomowe substancji moderatora powinny mieć podobną masę jak neutrony, ponieważ wtedy w zderzeniach przekazywana jest duża energia. Opisane jest to dalej;
2. substancja nie powinna, na ile to możliwe, pochłaniać neutronów. W końcu jej zadaniem jest tylko spowolnienie neutronów, a później ich ponowne „użycie”;
3. neutrony nie powinny napotkać na zbyt małą liczbę jąder atomowych. Działanie spowalniające byłoby wtedy za słabe. Oznacza to, że gęstość moderatora nie powinna być zbyt mała. Gęstość natomiast zależy m.in. od temperatury moderatora.

Ciężka woda, czyli D₂O, będąca połączeniem ciężkiego wodoru (deuteru) i tlenu, nadaje się doskonale na moderator. Spośród znanych substancji-moderatorów pochłania ona najmniej neutronów, a 2/3 jąder w cząsteczce D₂O jest dwukrotnie cięższe niż neutrony.

Zwykła woda, czyli H₂O (w technologii reaktorów zwana „wodą lekką”), jest również dobrym moderatorem, mimo że pochłania więcej neutronów niż „woda ciężka”. A do tego jest o wiele, wiele tańsza i łatwo dostępna.

Innym dobrym moderatorem jest węgiel (grafit).

Rola moderatora

Omawiając różne gry, np. bilard, ze zderzeniami przedmiotów, podobnie jak przy zderzeniu neutronów z jądrami atomów moderatora stosujemy takie pojęcia z fizyki jak pęd i energia. Pęd całkowity i energia całkowita przed i po zderzeniu pozostają takie same. Jeżeli masy obiektu „uderzającego” (pocisk) i obiektu „uderzanego” (tarcza) nie różnią się bardzo, a zderzenie jest „centralne” (pocisk kontynuuje kierunek początkowego ruchu) oraz jest „sprężyste” (oba obiekty nie zmieniają swojej masy), to możemy to opisać tak:

Początek:

Masa m porusza się z prędkością V₀,  masa M spoczywa.

Po zderzeniu masa m ma prędkość V_m, masa M – prędkość V_M.

Korzystając z zasad zachowania pędu i energii możemy wyprowadzić wzór na prędkość V_m masy m po zderzeniu:

V_m/V₀ = (m-M)/(m+M)

Jeżeli masa m≪M jest znacznie mniejsza od masy M to V_m = -V₀ (odbicie „do tyłu”).

Jeżeli masa m≫M jest znacznie większa od masy M to V_m = V₀ (prędkość bez zmian).

Jeżeli masa m≈M, czyli obie masy są niemal równe, to V_m = 0.

Jeżeli masa M=2m (deuter zamiast wodoru w ciężkiej wodzie) to V_m = (-1/3)V₀, neutron odbije się do tyłu tracąc 2/3 swojej początkowej prędkości.

Zasada zachowania pędu wyrażona jest wzorem:

m₁ • v₁(przed) = m₁ • v₁(po) + m₂ • v₂ 

Zasada zachowania energii wyrażona jest wzorem:

½ • m₁ • v₁²(przed) = ½ • m₁ • v₁²(po) + ½ • m₂ • v₂²

Można założyć, że jedna z kulek, która jest w stanie spoczynku, następnie wywołuje centralne uderzenie.

Oznacza to, że kiedy masa m₁ pierwszej kulki (czyli neutronu) jest dużo mniejsza niż masa drugiej kulki (czyli uderzonego atomu lub cząsteczki moderatora), to wpłynie to negatywnie na jej prędkość: „odbije się i wróci”. W przypadku odwrotnej proporcji porusza się ona dalej prawie nieprzyhamowana. Masy m₁ i m₂ są sobie równe i wygląda to tak:

v₁(po) = 0 i v₂(po) = v₁(przed)

Inaczej mówiąc, neutron podczas uderzenia oddaje swoją całą energię kinetyczną – traci swoją prędkość. Zasada działania moderatora pokazana została na poniższym rysunku.