Neutronmoderator

Inom kärnteknik är en neutronmoderator ett medium som minskar hastigheten på snabba neutroner , helst utan att fånga några, vilket lämnar dem som termiska neutroner med endast minimal (termisk) kinetisk energi . Dessa termiska neutroner är oerhört mer mottagliga än snabba neutroner för att sprida en kärnkedjereaktion av uran-235 eller annan klyvbar isotop genom att kollidera med deras atomkärna .

Vatten (ibland kallat "lättvatten" i detta sammanhang) är den vanligaste moderatorn (ungefär 75 % av världens reaktorer). Fast grafit (20 % av reaktorerna) och tungt vatten (5 % av reaktorerna) är huvudalternativen. Beryllium har också använts i vissa experimentella typer, och kolväten har föreslagits som en annan möjlighet.

Måtta

Neutroner är normalt bundna till en atomkärna och existerar inte fria länge i naturen. Den obundna neutronen har en halveringstid på 10 minuter och 11 sekunder . Frigörandet av neutroner från kärnan kräver att neutronens bindningsenergi överskrids, vilket vanligtvis är 7-9 MeV för de flesta isotoper . Neutronkällor genererar fria neutroner genom en mängd olika kärnreaktioner, inklusive kärnklyvning och kärnfusion . Oavsett källan till neutroner frigörs de med energier på flera MeV.

Enligt ekvipartitionssatsen kan den genomsnittliga kinetiska energin , ${\bar {E}}$ , relateras till temperaturen , $T$ , via:

${\bar {E}}={\frac {1}{2}}m_{n}\langle v^{2}\ rangle ={\frac {3}{2}}k_{B}T$ ,

där $m_{n}$ är neutronmassan, $\langle v^{2}\rangle$ är den genomsnittliga kvadratiska neutronhastigheten och $k_{B}$ är Boltzmann-konstanten . Den karakteristiska neutrontemperaturen för neutroner med flera MeV är flera tiotals miljarder kelvin .

Måttlighet är processen för reduktion av den initiala höga hastigheten (hög kinetisk energi) för den fria neutronen. Eftersom energi bevaras sker denna minskning av neutronhastigheten genom överföring av energi till ett material som kallas moderator .

Sannolikheten för spridning av en neutron från en kärna ges av spridningstvärsnittet . De första par kollisioner med moderatorn kan vara av tillräckligt hög energi för att excitera moderatorns kärna. En sådan kollision är oelastisk , eftersom en del av den kinetiska energin omvandlas till potentiell energi genom att excitera några av kärnans inre frihetsgrader för att bilda ett exciterat tillstånd . När neutronens energi sänks blir kollisionerna övervägande elastiska , dvs den totala kinetiska energin och rörelsemängden i systemet (den av neutronen och kärnan) bevaras.

Med tanke på matematiken för elastiska kollisioner , eftersom neutroner är mycket lätta jämfört med de flesta kärnor, är det mest effektiva sättet att ta bort kinetisk energi från neutronen genom att välja en modererande kärna som har nästan identisk massa.

Elastisk kollision av lika massor

En kollision av en neutron, som har massan 1, med en ¹ H kärna (en proton ) kan resultera i att neutronen förlorar praktiskt taget all sin energi i en enda frontalkollision. Mer generellt är det nödvändigt att ta hänsyn till både blickar och frontalkrockar. Den genomsnittliga logaritmiska reduktionen av neutronenergi per kollision , $\xi$ , beror endast på kärnans atommassa, $A$ , och ges av:

$\xi =\ln {\frac {E_{0}}{E}}=1 +{\frac {(A-1)^{2}}{2A}}\ln \left({\frac {A-1}{A+1}}\right)$ .

Detta kan rimligen approximeras till den mycket enkla formen $\xi \simeq {\frac {2}{A+2/3}}$ . Av detta kan man härleda $n$ , det förväntade antalet kollisioner av neutronen med kärnor av en given typ som krävs för att reducera den kinetiska energin hos en neutron från $E_{0}$ till $E_{1}$

$n={\frac {1}{\xi }}(\ln E_{0}-\ln E_{1})$ .

I ett system vid termisk jämvikt sprids neutroner (röda) elastiskt av en hypotetisk moderator av fria vätekärnor (blå), som genomgår termiskt aktiverad rörelse. Kinetisk energi överförs mellan partiklar. Eftersom neutronerna har i huvudsak samma massa som protoner och det inte finns någon absorption, skulle hastighetsfördelningarna för båda partikeltyperna beskrivas väl av en enda Maxwell–Boltzmann-fördelning .

Val av moderatormaterial

Vissa kärnor har större absorptionstvärsnitt än andra, vilket tar bort fria neutroner från flödet . Därför är ett ytterligare kriterium för en effektiv moderator ett där denna parameter är liten. Modereringseffektiviteten ger förhållandet mellan de makroskopiska tvärsnitten av spridning, $\Sigma _ {a}$$\displaystyle \Sigma _{s}}$ , viktad med $\xi$ dividerat med absorptionen, Σ : dvs, ${\frac {\xi \Sigma _{s}}{\Sigma _{a}}}$ . För en sammansatt moderator som består av mer än ett element, såsom lätt eller tungt vatten, är det nödvändigt att ta hänsyn till den modererande och absorberande effekten av både väteisotopen och syreatomen för att beräkna ξ {\displaystyle \ $}$ . För att föra en neutron från fissionsenergin för $E_{0}$ 2 MeV till en $E$ på 1 eV krävs ett förväntat $n$ på 16 och 29 kollisioner för H ₂ O och D2O _, respektive. Därför modereras neutroner snabbare av lätt vatten, eftersom H har en mycket högre $\Sigma _{s}$ . Den har dock också en mycket högre $\Sigma _{a}$ , så att modereringseffektiviteten är nästan 80 gånger högre för tungt vatten än för lätt vatten.

Den idealiska moderatorn har låg massa, hög spridningstvärsnitt och låg absorptionstvärsnitt .

	Väte	Deuterium	Beryllium	Kol	Syre	Uran
Massa av kärnor u	1	2	9	12	16	238
Energiminskning $\xi$	1	0,7261	0,2078	0,1589	0,1209	0,0084
Antal kollisioner	18	25	86	114	150	2172

Fördelning av neutronhastigheter när den modererats

Efter tillräckliga stötar kommer neutronens hastighet att vara jämförbar med hastigheten hos kärnorna som ges av termisk rörelse; denna neutron kallas då en termisk neutron , och processen kan också kallas termalisering . Väl i jämvikt vid en given temperatur ges fördelningen av hastigheter (energier) som förväntas av stela sfärer som sprids elastiskt av Maxwell-Boltzmann-fördelningen . Detta är endast något modifierat i en riktig moderator på grund av hastigheten (energi) beroendet av absorptionstvärsnittet för de flesta material, så att låghastighetsneutroner företrädesvis absorberas, så att den verkliga neutronhastighetsfördelningen i kärnan skulle vara något varmare än förutspått.

Reaktormoderatorer

I en termisk neutronreaktor absorberar kärnan i ett tungt bränsleelement som uran en långsamt rörlig fri neutron , blir instabil och delar sig sedan (" klyvningar ") i två mindre atomer (" klyvningsprodukter "). Klyvningsprocessen för ²³⁵ U- kärnor ger två klyvningsprodukter, två till tre snabbrörliga fria neutroner, plus en mängd energi som främst manifesteras i den kinetiska energin hos de rekylerande klyvningsprodukterna. De fria neutronerna emitteras med en kinetisk energi på ~2 MeV vardera. Eftersom fler fria neutroner frigörs från en uranklyvningshändelse än vad termiska neutroner krävs för att initiera händelsen, kan reaktionen bli självförsörjande – en kedjereaktion – under kontrollerade förhållanden, vilket frigör en enorm mängd energi (se artikel kärnklyvning ) .

Fissionstvärsnitt , mätt i ladugårdar (en enhet lika med 10 ⁻²⁸ m ² ), är en funktion av energin (så kallad excitationsfunktion ) av neutronen som kolliderar med en ²³⁵ U kärna. Sannolikheten för fission minskar när neutronenergin (och hastigheten) ökar. Detta förklarar varför de flesta reaktorer som drivs med ²³⁵ U behöver en moderator för att upprätthålla en kedjereaktion och varför borttagning av en moderator kan stänga av en reaktor.

Sannolikheten för ytterligare fissionshändelser bestäms av fissionstvärsnittet, som är beroende av hastigheten (energin) hos de infallande neutronerna. För termiska reaktorer är högenergineutroner i MeV-området mycket mindre sannolikt (men inte oförmögna) att orsaka ytterligare klyvning. De nyligen frigivna snabba neutronerna, som rör sig med ungefär 10 % av ljusets hastighet , måste bromsas ned eller "modereras", vanligtvis till hastigheter på några kilometer per sekund, om de sannolikt ska orsaka ytterligare klyvning i angränsande ²³⁵ U kärnor och därmed fortsätta kedjereaktionen. Denna hastighet råkar vara likvärdig med temperaturer inom några hundra grader Celsius.

I alla modererade reaktorer kommer vissa neutroner av alla energinivåer att producera fission, inklusive snabba neutroner. Vissa reaktorer är mer fullständigt termaliserade än andra; till exempel, i en CANDU-reaktor produceras nästan alla fissionsreaktioner av termiska neutroner, medan i en tryckvattenreaktor (PWR) produceras en betydande del av klyvningarna av neutroner med högre energi. I den föreslagna vattenkylda superkritiska vattenreaktorn (SCWR) kan andelen snabba klyvningar överstiga 50 %, vilket gör den tekniskt sett till en snabbneutronreaktor .

En snabb reaktor använder ingen moderator, utan förlitar sig på fission producerad av omodererade snabba neutroner för att upprätthålla kedjereaktionen. I vissa snabba reaktorkonstruktioner kan upp till 20 % av klyvningarna komma från direkt snabb neutronklyvning av uran-238, en isotop som inte alls är klyvbar med termiska neutroner.

Moderatorer används också i icke-reaktorneutronkällor , såsom plutonium - beryllium (med ⁹
Be ( α ,n) ¹²
C -reaktionen) och spallationskällor (med ( p ,xn) reaktioner med neutronrika tunga grundämnen som mål).

Form och plats

Moderatorns form och placering kan i hög grad påverka kostnaden och säkerheten för en reaktor. Klassiskt sett var moderatorer precisionsbearbetade block av högren grafit med inbäddad kanal för att transportera bort värme. De befann sig i den hetaste delen av reaktorn och därför utsatta för korrosion och ablation . I vissa material, inklusive grafit , kan neutronernas påverkan med moderatorn göra att moderatorn samlar på sig farliga mängder Wigner-energi . Detta problem ledde till den ökända Windscale-branden vid Windscale Piles, ett kärnreaktorkomplex i Storbritannien, 1957. I en koldioxidkyld grafitmodererad reaktor där kylvätska och moderator är i kontakt med varandra måste Boudouard- reaktionen vara beaktats. Detta är också fallet om bränsleelement har ett yttre lager av kol - som i vissa TRISO- bränslen - eller om ett inre kollager exponeras genom att ett eller flera yttre lager går sönder.

Moderatorerna för vissa stenbäddsreaktorer är inte bara enkla, utan också billiga: kärnbränslet är inbäddat i sfärer av pyrolytiskt kol av reaktorkvalitet , ungefär lika stora som tennisbollar . Mellanrummen mellan kulorna fungerar som kanal. Reaktorn drivs över Wigner-glödgningstemperaturen så att grafiten inte ackumulerar farliga mängder Wigner-energi .

I CANDU- och PWR -reaktorer är moderatorn flytande vatten ( tungt vatten för CANDU, lätt vatten för PWR). I händelse av en olycka med förlust av kylvätska i en PWR förloras även moderatorn och reaktionen stoppas. Denna negativa tomrumskoefficient är en viktig säkerhetsegenskap för dessa reaktorer. I CANDU är moderatorn placerad i en separat tungvattenkrets som omger de trycksatta tungvattenkylmedelskanalerna. Tungvattnet kommer att bromsa en betydande del av neutronerna till resonansintegralen på ²³⁸
U vilket ökar neutronfångningen i denna isotop som utgör över 99 % av uranet i CANDU-bränslet, vilket minskar mängden neutroner som är tillgängliga för fission. Som en konsekvens kommer att ta bort en del av det tunga vattnet att öka reaktiviteten tills så mycket avlägsnas att för lite moderering tillhandahålls för att hålla reaktionen igång. Denna design ger CANDU-reaktorer en positiv void-koefficient , även om den långsammare neutronkinetiken hos tungvattenmodererade system kompenserar för detta, vilket leder till jämförbar säkerhet med PWR. I den lättvattenkylda grafitmodererade RBMK , en reaktortyp som ursprungligen var tänkt att tillåta både produktion av plutonium av vapenkvalitet och stora mängder användbar värme samtidigt som man använder naturligt uran och avstår från användningen av tungt vatten, fungerar den lätta vattenkylvätskan främst som en neutronabsorbator och därför kommer dess avlägsnande i en olycka med förlust av kylvätska eller genom omvandling av vatten till ånga att öka mängden termiska neutroner som är tillgängliga för fission. Efter kärnkraftsolyckan i Tjernobyl åtgärdades problemet så att alla reaktorer av RBMK-typ som fortfarande är i drift har en något negativ tomrumskoefficient men de kräver nu en högre grad av urananrikning i sitt bränsle.

Moderator föroreningar

Bra moderatorer är fria från neutronabsorberande föroreningar som bor . I kommersiella kärnkraftverk innehåller moderatorn vanligtvis löst bor. Borkoncentrationen i reaktorns kylvätska kan ändras av operatörerna genom att tillsätta borsyra eller genom att späda med vatten för att manipulera reaktoreffekten. Det nazistiska kärnkraftsprogrammet drabbades av ett rejält bakslag när dess billiga grafitmoderatorer inte fungerade. På den tiden avsattes de flesta grafiter på borelektroder, och den tyska kommersiella grafiten innehöll för mycket bor. Eftersom det tyska krigets program aldrig upptäckte detta problem, var de tvungna att använda mycket dyrare tungvattenmoderatorer . Detta problem upptäcktes av den berömda fysikern Leó Szilárd

Icke-grafitmoderatorer

Vissa moderatorer är ganska dyra, till exempel beryllium och tungt vatten av reaktorkvalitet. Tungvatten av reaktorkvalitet måste vara 99,75 % rent för att möjliggöra reaktioner med oanrikat uran. Detta är svårt att förbereda eftersom tungt vatten och vanligt vatten bildar samma kemiska bindningar på nästan samma sätt, med bara lite olika hastigheter .

Den mycket billigare lättvattenmoderatorn (i huvudsak mycket rent vanligt vatten) absorberar för många neutroner för att kunna användas med oanrikat naturligt uran, och därför blir urananrikning eller nukleär upparbetning nödvändig för att driva sådana reaktorer, vilket ökar de totala kostnaderna. Både anrikning och upparbetning är dyra och tekniskt utmanande processer, och dessutom kan både anrikning och flera typer av upparbetning användas för att skapa vapenanvändbart material, vilket orsakar spridningsproblem . Upparbetningssystem som är mer resistenta mot spridning är för närvarande under utveckling.

CANDU - reaktorns moderator fungerar som en säkerhetsfunktion. En stor tank med lågtemperatur-, lågtrycks-tungtvatten dämpar neutronerna och fungerar även som en kylfläns vid extrema olyckor med förlust av kylvätska . Det separeras från bränslestavarna som faktiskt genererar värmen. Tungt vatten är mycket effektivt för att bromsa (moderera) neutroner, vilket ger CANDU-reaktorer deras viktiga och definierande kännetecken för hög " neutronekonomi ". Till skillnad från en lättvattenreaktor där tillsats av vatten till härden i en olycka kan ge tillräckligt med måttlighet för att få en subkritisk sammansättning att bli kritisk igen, kommer tungvattenreaktorer att minska sin reaktivitet om lätt vatten läggs till härden, vilket ger en annan viktig säkerhetsfunktion i fallet med vissa olycksscenarier. Men allt tungt vatten som blandas med nödkylvätskans lätta vatten kommer att bli för utspätt för att vara användbart utan isotopseparation.

Kärnvapendesign

Huvudartikel: Uraniumhydridbomb

Tidiga spekulationer om kärnvapen antog att en "atombomb" skulle vara en stor mängd klyvbart material, modererat av en neutronmoderator, liknande strukturen som en kärnreaktor eller "hög". Endast Manhattanprojektet omfamnade idén om en kedjereaktion av snabba neutroner i rent metalliskt uran eller plutonium . Andra modererade mönster övervägdes också av amerikanerna; förslag inkluderade att använda urandeuterid som klyvbart material. 1943 Robert Oppenheimer och Niels Bohr möjligheten att använda en "hög" som vapen. Motivationen var att med en grafitmoderator skulle det vara möjligt att uppnå kedjereaktionen utan användning av någon isotopseparation . Däremot kan plutonium framställas ("föda upp") tillräckligt isotopiskt rent för att kunna användas i en bomb och måste sedan "bara" separeras kemiskt, en mycket lättare process än isotopseparation, om än fortfarande en utmanande sådan. I augusti 1945, när information om atombombningen av Hiroshima vidarebefordrades till forskarna inom det tyska kärnkraftsprogrammet , begravda i Farm Hall i England, antog chefsforskaren Werner Heisenberg att anordningen måste ha varit "något liknande en kärnreaktor, med neutroner bromsas av många kollisioner med en moderator". Det tyska programmet, som hade varit mycket mindre avancerat, hade aldrig ens övervägt plutoniumalternativet och upptäckte inte en genomförbar metod för storskalig isotopseparation i uran.

Efter framgången med Manhattanprojektet har alla större kärnvapenprogram förlitat sig på snabba neutroner i sina vapenkonstruktioner. Det anmärkningsvärda undantaget är Ruth och Rays testexplosioner under Operation Upshot–Knothole . Syftet med för strålningslaboratoriet vid University of California var utforskningen av deutererad polyetenladdning som innehåller uran som ett termonukleärt kandidatbränsle, i hopp om att deuterium skulle smälta (bli ett aktivt medium) om det komprimeras på lämpligt sätt. Om de lyckas kan enheterna också leda till en kompakt primär som innehåller minimal mängd klyvbart material och kraftfull nog att antända RAMROD, ett termonukleärt vapen designat av UCRL vid den tiden. För en "hydrid"-primär skulle kompressionsgraden inte få deuterium att smälta, men designen kan utsättas för förstärkning, vilket höjer utbytet avsevärt. Kärnorna bestod av en blandning av urandeuterid (UD ₃ ) och deutererad polyeten. Kärnan som testades i Ray använde låganrikat uran i U ²³⁵ , och i båda skotten fungerade deuterium som neutronmoderator. Den förväntade avkastningen var 1,5 till 3 kt för Ruth (med en maximal potentiell avkastning på 20 kt) och 0,5-1 kt för Ray . Testerna gav en avkastning på 200 ton TNT vardera; båda testerna ansågs vara fizzles .

Den största fördelen med att använda en moderator i ett kärnsprängämne är att mängden klyvbart material som behövs för att nå kritikalitet kan reduceras avsevärt. Bromsning av snabba neutroner kommer att öka tvärsnittet för neutronabsorption , vilket minskar den kritiska massan . En bieffekt är dock att när kedjereaktionen fortskrider kommer moderatorn att värmas upp och därmed förlora sin förmåga att kyla neutronerna.

En annan effekt av moderering är att tiden mellan efterföljande neutrongenerationer ökar, vilket saktar ner reaktionen. Detta gör att inneslutningen av explosionen är ett problem; trögheten som används för att begränsa bomber av implosionstyp kommer inte att kunna begränsa reaktionen. Slutresultatet kan bli ett sus istället för en smäll.

Sprängkraften hos en fullt modererad explosion är alltså begränsad, i värsta fall kan den vara lika med ett kemiskt sprängämne med liknande massa. Återigen citerar Heisenberg: "Man kan aldrig göra ett sprängämne med långsamma neutroner, inte ens med tungvattenmaskinen, eftersom neutronerna då bara går med termisk hastighet, med resultatet att reaktionen är så långsam att saken exploderar tidigare, innan reaktionen är fullständig."

Medan en kärnvapenbomb som arbetar på termiska neutroner kan vara opraktisk, kan moderna vapenkonstruktioner fortfarande dra nytta av en viss grad av måttlighet. En berylliummanipulation som används som neutronreflektor fungerar också som moderator.

Material som används

• Väte , som i vanligt " lättvatten ". Eftersom protium också har ett betydande tvärsnitt för neutroninfångning är endast begränsad måttlighet möjlig utan att förlora för många neutroner. De mindre modererade neutronerna är relativt mer benägna att fångas av uran-238 och mindre benägna att klyva uran-235 , så lättvattenreaktorer kräver anrikat uran för att fungera.
  • Det finns också förslag om att använda den förening som bildas genom den kemiska reaktionen av metalliskt uran och väte ( uranhydrid —UH ₃ ) som ett kombinationsbränsle och moderator i en ny typ av reaktor .
  • Väte används också i form av kryogen flytande metan och ibland flytande väte som en kall neutronkälla i vissa forskningsreaktorer : vilket ger en Maxwell-Boltzmann-fördelning för neutronerna vars maximum skiftas till mycket lägre energier.
  • Väte kombinerat med kol som i paraffinvax användes i några tidiga tyska experiment .
• Deuterium , i form av tungt vatten , i tungvattenreaktorer , t.ex. CANDU . Reaktorer modererade med tungt vatten kan använda oberikat naturligt uran .
• Kol , i form av grafit av reaktorkvalitet eller pyrolytiskt kol , som används i t.ex. RBMK- och stenbäddsreaktorer , eller i föreningar, t.ex. koldioxid . Eftersom koldioxid innehåller dubbelt så många syreatomer som kolatomer och båda har modererande och neutronabsorberande effekter i liknande intervall (se ovan), skulle en betydande del av moderationen i en (som ännu inte byggs) koldioxidmodererad reaktor kommer faktiskt från syret. Reaktorer med lägre temperatur är känsliga för ansamling av Wigner-energi i materialet. Liksom deuteriummodererade reaktorer kan vissa av dessa reaktorer använda oberikat naturligt uran.
  • Grafit tillåts också medvetet att värmas upp till cirka 2000 K eller högre i vissa forskningsreaktorer för att producera en het neutronkälla : vilket ger en Maxwell–Boltzmann-fördelning vars maximum sprids ut för att generera neutroner med högre energi.
• Beryllium , i form av metall. Beryllium är dyrt och giftigt, så användningen är begränsad.
• Litium -7, i form av ett litiumfluoridsalt , typiskt i kombination med berylliumfluoridsalt ( FLiBe ). Detta är den vanligaste typen av moderator i en smältsaltreaktor .

Andra lätta kärnmaterial är olämpliga av olika anledningar. Helium är en gas och den kräver speciell design för att uppnå tillräcklig densitet; litium -6 och bor -10 absorberar neutroner.

Driver för närvarande kärnkraftsreaktorer av moderator

Moderator	Reaktorer	Design	Land
ingen ( snabb )	2	BN-600 , BN-800	Ryssland (2)
grafit	25	AGR , Magnox , RBMK	Storbritannien (14), Ryssland (9)
tungt vatten	29	CANDU , PHWR	Kanada (17), Sydkorea (4), Rumänien (2), Kina (2), Indien (18), Argentina, Pakistan
lätt vatten	359	PWR , BWR	27 länder

Se även

• Nukleärt tvärsnitt
• Neutronreflektor
• Neutronspridning
• Wigner effekt

Anteckningar

• DOE Fundamentals Handbook: Kärnfysik och reaktorteori. Vol. 2 (DOE-HDBK-1019/2-93) (PDF) . US Department of Energy . Januari 1993. Arkiverad från originalet (PDF) den 3 december 2013 . Hämtad 29 november 2013 .