Skip to content

Moderator neutronów

Reaktor jądrowy nie funkcjonuje bez neutronów. Ponieważ to neutrony wywołują reakcję rozszczepienia ciężkich jąder atomowych, jest to tak zwane „indukowane”, czyli wymuszone rozszczepienie.

Warunkiem jest to, aby jądra atomowe mogły absorbować neutrony. Wychodzi to najlepiej, kiedy neutrony poruszają się powoli. W przeciwnym razie jest małe prawdopodobieństwo, że neutron i jądro zbliżą się do siebie na wystarczająco długi czas.

Jednakże neutrony, które zostaną uwolnione przez jądra w reakcji rozszczepienia, zwykle są stosunkowo szybkie. Posiadają one zbyt dużą energię kinetyczną. W reaktorach stosuje się substancję, zwaną moderatorem, która spowalnia prędkie neutrony powstałe podczas rozszczepienia tak, aby mogły spowodować następne rozszczepienia i w ten sposób kontynuować reakcję łańcuchową.

Neutrony: podział ze względu na energię

Neutrony dzielimy na cztery grupy ze względu na prędkość, czyli energię kinetyczną:

  1. neutrony termiczne, energia Ekin ≅ 0,025 eV, prędkość – 2200 m/s,
  2. neutrony epitermiczne, Ekin od 0,025 eV do 100 eV, prędkość do ~140 km/s,
  3. neutrony pośrednie, Ekin od 100 eV do 100 000 eV, prędkość do ~4400 km/s,
  4. neutrony prędkie, Ekin większa od 100 000 eV = 0,1 MeV, prędkość ponad 4400 km/s.

Podczas rozszczepienia jądra U-235 obok innych produktów rozszczepienia zostają uwolnione także neutrony prędkie. Zwykle ich najbardziej prawdopodobna energia wynosi około 0,7 MeV, prędkość ~11000 km/s, a energia średnia wynosi około 1,5 MeV, prędkość ~17000 km/s.

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 Vm, masa M – prędkość VM.

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

Vm/V0 = (m-M)/(m+M)

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

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

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

Jeżeli masa M=2m (deuter zamiast wodoru w ciężkiej wodzie) to Vm = (-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.

Rys. Zasada działania moderatora, źródło: opracowanie własne

Wpływ temperatury na własności materiału moderatora

Działanie moderatora zależne jest od jego temperatury. Przy jakiej temperaturze cząsteczki wody działają dużo lepiej jako moderator?

Odpowiedź brzmi: w niskiej temperaturze.

Czym wyższa temperatura wody w reaktorze, tym mniejsza jest jej gęstość. Poza tym prawdopodobieństwo zderzenia maleje, kiedy woda zamieni się w parę, ponieważ wtedy drastycznie traci swoją gęstość.

Ciężka woda jest najlepszym moderatorem neutronów i pozwala na zastosowanie paliwa jądrowego z uranem naturalnym (niewymagającym wzbogacania). Niestety jej główną wadą są wysokie koszty produkcji, dlatego stosowana jest obecnie jedynie w reaktorach typu CANDU.

Na tej stronie:
Back To Top