El moderador de neutrons té un paper crucial en els reactors nuclears en participar en la gestió de les reaccions de fissió nuclear. La seva funció principal rau en la tasca de disminuir la velocitat dels neutrons generats durant aquestes reaccions.
En el procés de fissió nuclear, els neutrons col·lisionen amb els àtoms fissibles d'urani i desencadenen reaccions addicionals. Cada esdeveniment de fissió allibera un o dos neutrons a velocitats considerablement altes, capaces d'iniciar una reacció en cadena en xocar amb altres àtoms circumdants.
La clau per aprofitar eficientment l'energia nuclear és mantenir una reacció en cadena controlada dins del reactor. Si els neutrons conserven una velocitat elevada al nucli del reactor, la probabilitat que col·lisionin amb altres àtoms disminueix.
En aquest context, el moderador assumeix la responsabilitat de reduir la velocitat dels neutrons, millorant així el rendiment del reactor nuclear. Els neutrons alliberats després d'una reacció de fissió inicial es desplacen aproximadament al 10% de la velocitat de la llum.
Per garantir el funcionament òptim del reactor, és essencial disminuir aquesta velocitat a pocs quilòmetres per segon, equiparant així les condicions a temperatures de l'ordre dels pocs centenars de graus Celsius.
Funció del moderador nuclear al reactor
Els neutrons, impulsats per la seva elevada velocitat, tenen una considerable energia cinètica. Quan un neutró col·lisiona amb un àtom del material designat com a moderador, una fracció de la seva energia cinètica es transfereix a l'àtom del moderador, resultant en una disminució simultània de la velocitat dels neutrons.
Els elements químics de la taula periòdica ideals per exercir la funció de moderador són aquells amb una massa atòmica baixa, maximitzant així l'energia transferida a cada xoc. Entre ells destaquen l'hidrogen, deuteri (present a l'aigua pesada) i carboni.
L'eficàcia del moderador es basa en la capacitat per reduir la velocitat dels neutrons sense absorbir-los. Per assolir aquest equilibri, és imperatiu que els materials moderadors presentin una baixa secció eficaç de captura.
No obstant això, en determinats moments de la reacció en cadena, cal capturar neutrons per mantenir un control precís. És aquí on entren en joc les barres de control, actuant estratègicament per regular la quantitat de neutrons presents i, per tant, gestionar la reacció en cadena.
Tipus de moderadors
Hi ha diversos tipus de moderadors nuclears utilitzats en reactors nuclears per desaccelerar els neutrons i facilitar una reacció en cadena controlada. Aquí es presenten alguns dels tipus més comuns:
- Aigua lleugera (H₂O) : L'aigua comuna, composta principalment d'àtoms d'hidrogen i oxigen, és un moderador eficaç. Als reactors d'aigua lleugera, l'aigua actua tant com a moderador com a refrigerant.
- Aigua pesada (D₂O) : El deuteri, un isòtop de l'hidrogen, reemplaça l'hidrogen a l'aigua pesada. Els reactors daigua pesada utilitzen aquest tipus daigua com a moderador i refrigerant. L'aigua feixuga permet utilitzar combustibles d'urani natural sense enriquir.
- Grafit : El grafit, una forma de carboni, és un altre moderador comú. Els reactors de grafit utilitzen blocs de grafit per reduir la velocitat dels neutrons. Aquest material també pot actuar com a reflector, redirigint alguns neutrons de tornada al nucli.
- Aigua lleugera i grafit (RBMK) Alguns reactors, com el tipus RBMK (Reactors d'Aigua Lleugera i Grafit) utilitzats a l'antiga Unió Soviètica, combinen l'aigua lleugera i el grafit com a moderadors. Aquest disseny permet certes flexibilitats operatives.
- Compostos orgànics Alguns reactors utilitzen compostos orgànics, com a hidrocarburs, com a moderadors. Aquests materials ofereixen propietats moderadores eficients i, en alguns casos, poden simplificar el disseny del reactor.
- Moderadors refractaris En certs reactors d'alta temperatura, s'utilitzen materials refractaris com a moderadors. Aquests materials, com l'òxid de beril·li o carbur de silici, poden suportar temperatures més elevades sense perdre eficàcia com a moderadors.
