Moderador de nêutrons - Neutron moderator

Na engenharia nuclear , um moderador de nêutrons é um meio que reduz a velocidade dos nêutrons rápidos , idealmente sem capturar nenhum, deixando-os como nêutrons térmicos com apenas energia cinética (térmica) mínima . Esses nêutrons térmicos são imensamente mais suscetíveis do que os nêutrons rápidos a propagar uma reação em cadeia nuclear do urânio-235 ou outro isótopo físsil colidindo com seu núcleo atômico .

Água (às vezes chamada de "água leve" neste contexto) é o moderador mais comumente usado (cerca de 75% dos reatores do mundo). Grafite sólida (20% dos reatores) e água pesada (5% dos reatores) são as principais alternativas. O berílio também foi usado em alguns tipos experimentais, e os hidrocarbonetos foram sugeridos como outra possibilidade.

Moderação

Os nêutrons estão normalmente ligados a um núcleo atômico e não existem por muito tempo livres na natureza. O nêutron não ligado tem meia-vida de 10 minutos e 11 segundos . A liberação de nêutrons do núcleo exige que a energia de ligação do nêutron seja excedida, que normalmente é de 7 a 9 MeV para a maioria dos isótopos . As fontes de nêutrons geram nêutrons livres por uma variedade de reações nucleares, incluindo a fissão nuclear e a fusão nuclear . Qualquer que seja a fonte de nêutrons, eles são liberados com energias de vários MeV.

De acordo com o teorema de equipartição , a média de energia cinética , pode estar relacionada com a temperatura , , via:

,

onde é a massa do nêutron, é a velocidade média ao quadrado do nêutron e é a constante de Boltzmann . A temperatura característica dos nêutrons de vários nêutrons MeV é de várias dezenas de bilhões de Kelvin .

Moderação é o processo de redução da alta velocidade inicial (alta energia cinética) do nêutron livre. Como a energia é conservada, essa redução da velocidade dos nêutrons ocorre pela transferência de energia para um material chamado moderador .

A probabilidade de espalhamento de um nêutron de um núcleo é dada pela seção de choque de espalhamento . O primeiro par de colisões com o moderador pode ser de energia suficientemente alta para excitar o núcleo do moderador. Essa colisão é inelástica , uma vez que parte da energia cinética é transformada em energia potencial , estimulando alguns dos graus de liberdade internos do núcleo para formar um estado excitado . À medida que a energia do nêutron é reduzida, as colisões tornam-se predominantemente elásticas , ou seja, a energia cinética total e o momento do sistema (do nêutron e do núcleo) são conservados.

Dada a matemática das colisões elásticas , como os nêutrons são muito leves em comparação com a maioria dos núcleos, a maneira mais eficiente de remover a energia cinética do nêutron é escolhendo um núcleo moderador com massa quase idêntica.

Colisão elástica de massas iguais

A colisão de um nêutron, que tem massa de 1, com um núcleo 1 H (um próton ) pode resultar na perda de praticamente toda a sua energia no nêutron em uma única colisão frontal. De maneira mais geral, é necessário levar em consideração as colisões visuais e frontais. A redução logarítmica média da energia dos nêutrons por colisão , depende apenas da massa atômica,, do núcleo e é dada por:

.

Isso pode ser razoavelmente aproximado da forma muito simples . Disto pode-se deduzir , o número esperado de colisões do nêutron com núcleos de um determinado tipo que é necessário para reduzir a energia cinética de um nêutron de a

.
Em um sistema em equilíbrio térmico, nêutrons (vermelhos) são elasticamente espalhados por um hipotético moderador de núcleos de hidrogênio livre (azul), passando por um movimento termicamente ativado. A energia cinética é transferida entre as partículas. Como os nêutrons têm essencialmente a mesma massa que os prótons e não há absorção, as distribuições de velocidade de ambos os tipos de partículas seriam bem descritas por uma única distribuição de Maxwell-Boltzmann .

Escolha de materiais do moderador

Alguns núcleos têm seções transversais de absorção maiores do que outros, o que remove nêutrons livres do fluxo . Portanto, um outro critério para um moderador eficiente é aquele para o qual esse parâmetro é pequeno. A eficiência moderadora fornece a razão das seções transversais macroscópicas de espalhamento,, ponderada por dividida pela de absorção,: isto é ,. Para um moderador composto composto por mais de um elemento, como água leve ou pesada, é necessário levar em consideração o efeito moderador e absorvente do isótopo de hidrogênio e do átomo de oxigênio para calcular . Para trazer um nêutron da energia de fissão de 2 MeV para um de 1 eV, são necessárias 16 e 29 colisões para H 2 O e D 2 O, respectivamente. Portanto, os nêutrons são moderados mais rapidamente pela água leve, já que H tem um valor muito maior . No entanto, ele também tem um valor muito maior , de modo que a eficiência moderadora é quase 80 vezes maior para água pesada do que para água leve.

O moderador ideal é de baixa massa, alta seção transversal de espalhamento e baixa seção transversal de absorção .

Hidrogênio Deutério Berílio Carbono Oxigênio Urânio
Massa de grãos de u 1 2 9 12 16 238
Decréscimo de energia 1 0,7261 0,2078 0,1589 0,1209 0,0084
Número de colisões 18 25 86 114 150 2172

Distribuição das velocidades de nêutrons, uma vez moderada

Após impactos suficientes, a velocidade do nêutron será comparável à velocidade dos núcleos dada pelo movimento térmico; esse nêutron é então denominado nêutron térmico e o processo também pode ser denominado termalização . Uma vez em equilíbrio em uma dada temperatura, a distribuição de velocidades (energias) esperadas de esferas rígidas que se espalham elasticamente é dada pela distribuição de Maxwell-Boltzmann . Isso é apenas ligeiramente modificado em um moderador real devido à dependência da velocidade (energia) da seção transversal de absorção da maioria dos materiais, de modo que os nêutrons de baixa velocidade são preferencialmente absorvidos, de modo que a distribuição verdadeira da velocidade dos nêutrons no núcleo seria ligeiramente mais quente do que o previsto.

Moderadores do reator

Em um reator de nêutron térmico , o núcleo de um elemento combustível pesado como o urânio absorve um nêutron livre de movimento lento , torna-se instável e então se divide (" fissões ") em dois átomos menores (" produtos de fissão "). O processo de fissão para 235 núcleos U produz dois produtos de fissão, dois a três nêutrons livres em movimento rápido , mais uma quantidade de energia manifestada principalmente na energia cinética dos produtos de fissão em recuo. Os nêutrons livres são emitidos com energia cinética de ~ 2 MeV cada. Como mais nêutrons livres são liberados de um evento de fissão de urânio do que nêutrons térmicos são necessários para iniciar o evento, a reação pode se tornar autossustentável - uma reação em cadeia - sob condições controladas, liberando assim uma enorme quantidade de energia (ver artigo fissão nuclear ) .

A seção transversal da fissão , medida em celeiros (uma unidade igual a 10 −28  m 2 ), é uma função da energia (a chamada função de excitação ) do nêutron colidindo com um núcleo 235 U. A probabilidade de fissão diminui à medida que a energia (e velocidade) dos nêutrons aumenta. Isso explica por que a maioria dos reatores abastecidos com 235 U precisam de um moderador para sustentar uma reação em cadeia e por que remover um moderador pode desligar um reator.

A probabilidade de outros eventos de fissão é determinada pela seção transversal da fissão , que depende da velocidade (energia) dos nêutrons incidentes. Para reatores térmicos, nêutrons de alta energia na faixa de MeV são muito menos prováveis ​​(embora não incapazes) de causar mais fissão. Os nêutrons rápidos recém-liberados, movendo-se a cerca de 10% da velocidade da luz , devem ser desacelerados ou "moderados", normalmente para velocidades de alguns quilômetros por segundo, se houver probabilidade de causar mais fissão nos vizinhos 235 U núcleos e, portanto, continuar a reação em cadeia. Essa velocidade é equivalente a temperaturas na faixa de algumas centenas de graus Celsius.

Em todos os reatores moderados, alguns nêutrons de todos os níveis de energia produzirão fissão, incluindo nêutrons rápidos. Alguns reatores são mais totalmente termalizados do que outros; por exemplo, em um reator CANDU quase todas as reações de fissão são produzidas por nêutrons térmicos, enquanto em um reator de água pressurizada (PWR) uma parte considerável das fissões é produzida por nêutrons de alta energia. No reator de água supercrítico resfriado a água proposto (SCWR), a proporção de fissões rápidas pode exceder 50%, tornando-o tecnicamente um reator de nêutrons rápido .

Um reator rápido não usa moderador, mas depende da fissão produzida por nêutrons rápidos não moderados para sustentar a reação em cadeia. Em alguns projetos de reatores rápidos, até 20% das fissões podem vir da fissão rápida direta de nêutrons do urânio-238 , um isótopo que não é físsil de forma alguma com nêutrons térmicos.

Os moderadores também são usados ​​em fontes de nêutrons não reatores, como plutônio - berílio e fontes de fragmentação .

Formulário e localização

A forma e a localização do moderador podem influenciar muito o custo e a segurança de um reator. Classicamente, os moderadores eram blocos usinados com precisão de grafite de alta pureza com dutos embutidos para transportar o calor. Eles estavam na parte mais quente do reator e, portanto, sujeitos à corrosão e ablação . Em alguns materiais, incluindo o grafite , o impacto dos nêutrons com o moderador pode fazer com que o moderador acumule quantidades perigosas de energia de Wigner . Este problema levou ao infame incêndio Windscale em Windscale Piles, um complexo de reatores nucleares no Reino Unido, em 1957.

Alguns moderadores de reatores de leito de seixo não são apenas simples, mas também baratos: o combustível nuclear está embutido em esferas de carbono pirolítico de grau de reator , aproximadamente do tamanho de bolas de tênis . Os espaços entre as bolas servem como dutos. O reator é operado acima da temperatura de recozimento de Wigner para que o grafite não acumule quantidades perigosas de energia de Wigner .

Nos reatores CANDU e PWR , o moderador é a água líquida ( água pesada para CANDU, água leve para PWR). No caso de um acidente de perda de líquido refrigerante em um PWR, o moderador também está perdido e a reação será interrompida. Este coeficiente de vazio negativo é um importante recurso de segurança desses reatores. No CANDU, o moderador está localizado em um circuito separado de água pesada, circundando os canais de refrigeração de água pesada pressurizada. Este projeto dá aos reatores CANDU um coeficiente de vazio positivo , embora a cinética de nêutrons mais lenta dos sistemas moderados de água pesada compense isso, levando a uma segurança comparável com os PWRs. "

Impurezas do moderador

Bons moderadores são livres de impurezas que absorvem nêutrons, como o boro . Em usinas nucleares comerciais, o moderador normalmente contém boro dissolvido. A concentração de boro do refrigerante do reator pode ser alterada pelos operadores adicionando ácido bórico ou diluindo com água para manipular a energia do reator. O Programa Nuclear Nazista sofreu um revés substancial quando seus moderadores de grafite baratos deixaram de funcionar. Naquela época, a maioria dos grafites era depositada em eletrodos de boro, e o grafite comercial alemão continha boro em excesso. Como o programa alemão do tempo de guerra nunca descobriu esse problema, eles foram forçados a usar moderadores de água pesada muito mais caros . Este problema foi descoberto pelo famoso físico Leó Szilárd

Moderadores sem grafite

Alguns moderadores são bastante caros, por exemplo , berílio e água pesada de nível de reator. A água pesada de grau de reator deve ser 99,75% pura para permitir reações com urânio não enriquecido. Isso é difícil de preparar porque a água pesada e a água regular formam as mesmas ligações químicas quase das mesmas maneiras, em velocidades apenas ligeiramente diferentes.

O moderador de água leve muito mais barato (essencialmente água regular muito pura) absorve muitos nêutrons para serem usados ​​com urânio natural não enriquecido e, portanto, o enriquecimento de urânio ou reprocessamento nuclear torna-se necessário para operar esses reatores, aumentando os custos gerais. Tanto o enriquecimento quanto o reprocessamento são processos caros e tecnologicamente desafiadores e, além disso, tanto o enriquecimento quanto vários tipos de reprocessamento podem ser usados ​​para criar material utilizável em armas, causando problemas de proliferação . Esquemas de reprocessamento mais resistentes à proliferação estão atualmente em desenvolvimento.

O moderador do reator CANDU também funciona como um recurso de segurança. Um grande tanque de água pesada de baixa temperatura e baixa pressão modera os nêutrons e também atua como um dissipador de calor em condições extremas de perda de líquido refrigerante . Ele é separado das barras de combustível que realmente geram o calor. A água pesada é muito eficaz em desacelerar (moderar) nêutrons, dando aos reatores CANDU sua característica importante e definidora de alta "economia de nêutrons".

Projeto de arma nuclear

As primeiras especulações sobre armas nucleares assumiam que uma "bomba atômica" seria uma grande quantidade de material físsil , moderada por um moderador de nêutrons, semelhante em estrutura a um reator nuclear ou "pilha". Apenas o projeto Manhattan abraçou a ideia de uma reação em cadeia de nêutrons rápidos em urânio ou plutônio metálico puro . Outros designs moderados também foram considerados pelos americanos; as propostas incluíam o uso de deutereto de urânio como material físsil. Em 1943, Robert Oppenheimer e Niels Bohr consideraram a possibilidade de usar uma "pilha" como arma. A motivação era que com um moderador de grafite seria possível realizar a reação em cadeia sem o uso de qualquer separação de isótopos . Em agosto de 1945, quando a informação do bombardeio atômico de Hiroshima foi retransmitida aos cientistas do programa nuclear alemão , enterrado em Farm Hall, na Inglaterra, o cientista-chefe Werner Heisenberg levantou a hipótese de que o dispositivo deve ter sido "algo como um reator nuclear, com o nêutrons retardados por muitas colisões com um moderador ".

Após o sucesso do projeto Manhattan, todos os principais programas de armas nucleares contaram com nêutrons rápidos em seus projetos de armas. A exceção notável são as explosões de teste de Ruth e Ray da Operação Upshot – Knothole . O objetivo dos projetos do Laboratório de Radiação da Universidade da Califórnia era a exploração de carga de polietileno deuterado contendo urânio como combustível termonuclear candidato, na esperança de que o deutério se fundisse (tornando-se um meio ativo) se comprimido de forma adequada. Se bem-sucedidos, os dispositivos também podem levar a um primário compacto contendo uma quantidade mínima de material físsil e poderoso o suficiente para acender o RAMROD, uma arma termonuclear projetada pela UCRL na época. Para um primário de "hidreto", o grau de compressão não faria o deutério se fundir, mas o projeto poderia ser submetido a um aumento, aumentando consideravelmente o rendimento. Os núcleos consistiam em uma mistura de deutereto de urânio (UD 3 ) e deuterado polietileno. O núcleo testado em Ray usou urânio pouco enriquecido em U 235 , e em ambos os disparos o deutério agiu como moderador de nêutrons. O rendimento previsto foi de 1,5 a 3 kt para Ruth (com um rendimento potencial máximo de 20 kt) e 0,5-1 kt para Ray . Os testes produziram rendimentos de 200 toneladas de TNT cada; ambos os testes foram considerados fracassos .

O principal benefício de usar um moderador em um explosivo nuclear é que a quantidade de material físsil necessária para atingir a criticidade pode ser bastante reduzida. A desaceleração de nêutrons rápidos aumentará a seção transversal para a absorção de nêutrons , reduzindo a massa crítica . Um efeito colateral é, entretanto, que conforme a reação em cadeia progride, o moderador será aquecido, perdendo assim sua capacidade de resfriar os nêutrons.

Outro efeito da moderação é que o tempo entre as gerações subsequentes de nêutrons é aumentado, desacelerando a reação. Isso torna a contenção da explosão um problema; a inércia que é usada para confinar bombas do tipo implosão não será capaz de confinar a reação. O resultado final pode ser um chiado em vez de um estrondo.

O poder explosivo de uma explosão totalmente moderada é, portanto, limitado; na pior das hipóteses, pode ser igual a um explosivo químico de massa semelhante. Novamente citando Heisenberg: "Nunca se pode fazer um explosivo com nêutrons lentos, nem mesmo com a máquina pesada de água, pois então os nêutrons só vão com velocidade térmica, com o resultado que a reação é tão lenta que a coisa explode mais cedo, antes que a reação está completa. "

Embora uma bomba nuclear trabalhando com nêutrons térmicos possa ser impraticável, os projetos de armas modernos ainda podem se beneficiar de algum nível de moderação. Um adulterador de berílio usado como refletor de nêutrons também atuará como moderador.

Materiais utilizados

Outros materiais de núcleos leves são inadequados por várias razões. O hélio é um gás e requer um projeto especial para atingir densidade suficiente; o lítio -6 e o boro -10 absorvem nêutrons.

Atualmente operando reatores de energia nuclear por moderador
Moderador Reatores Projeto País
nenhum ( rápido ) 1 BN-600 , BN-800 Rússia (2)
grafite 25 AGR , Magnox , RBMK Reino Unido (14), Rússia (9)
água pesada 29 CANDU , PHWR Canadá (17), Coreia do Sul (4), Romênia (2),
China (2), Índia (18), Argentina, Paquistão
água leve 359 PWR , BWR 27 países

Veja também

Notas

Referências