El moderador de neutrons és un component que forma part dels reactors nuclears. La funció de l'moderador és la de reduir la velocitat dels neutrons en les reaccions de fissió nuclear.
Durant les reaccions nuclears de fissió, els neutrons xoquen amb els àtoms fisibles d'urani provocant noves reaccions. Amb cada reacció de fissió s'alliberen un o dos neutrons a gran velocitat que poden xocar contra altres àtoms i generar una reacció nuclear en cadena.
Per poder treure profit de l'energia nuclear de l'àtom, l'objectiu és mantenir una reacció nuclear en cadena dins de l'reactor nuclear. Si els neutrons es mouen massa ràpid en el nucli de l'reactor es redueix la possibilitat que xoquin contra un altre àtom.
L'objectiu de l'moderador és reduir aquesta velocitat i, d'aquesta manera, obtenir un millor rendiment de l'reactor.
Els neutrons ràpids alliberats després d'una reacció de fissió es mouen aproximadament a un 10% de la velocitat de la llum. Per al bon funcionament de l'reactor, la seva velocitat ha de reduir-se a uns pocs quilòmetres per segon. Aquesta velocitat passa a ser equivalent a les temperatures en els pocs centenars de graus Celsius.
Què fa el moderador de neutrons dins el reactor?
Els neutrons, per la seva velocitat, tenen una gran energia cinètica. Si un neutró xoca contra un àtom de el material que es fa servir com a moderador, part de la seva energia cinètica es transfereix a l'àtom de moderador. Els neutrons, a l'perdre energia cinètica, perden velocitat.
Els elements químics de la taula periòdica adequats per a realitzar la funció de moderador són els que posseeixen una massa atòmica baixa per maximitzar l'energia transferida en cada xoc. Generalment es tracta d'hidrogen, deuteri (present en l'aigua pesada) o carboni.
És important que el moderador no absorbeixi els neutrons ja que només volem reduir la velocitat. Per evitar-ho és important que els materials moderadors tinguin una secció eficaç de captura baixa.
En cert moment sí que és necessari poder capturar els neutrons per controlar la reacció en cadena. Per a això s'utilitzen les barres de control.
Com es genera una reacció de fissió?
En un reactor de neutrons tèrmics, el nucli atòmic d'un element combustible pesat com l'urani 235 (O-235) absorbeix un neutró lliure de moviment lent. Amb el nou neutró, l'àtom es torna inestable i es trenca.
Quin és el resultat d'una reacció de fissió nuclear?
En el procés de fissió, la reacció nuclear produeix:
Dos productes de fissió
Dos o tres neutrons lliures que es mouen ràpidament
Una quantitat d'energia que es manifesta principalment en l'energia cinètica dels productes de fissió.
Per què els reactors nuclears han de tenir un moderador de neutrons?
Els reactors nuclears tèrmics necessiten un moderador per reduir la velocitat dels neutrons per què la probabilitat que un neutró impacti contra un àtom d'urani-235 disminueix a l'augmentar la velocitat dels neutrons.
Això explica per què la majoria dels reactors atòmics alimentats amb urani-35 necessiten un moderador per mantenir una reacció en cadena i per què l'eliminació d'un moderador pot apagar un reactor.
Què és la secció transversal de la fissió?
La probabilitat de nous esdeveniments de fissió està determinada per la secció transversal de la fissió. La secció transversal de fissió, és una funció de l'energia (anomenada funció d'excitació) de l'neutró que topa amb un nucli d'urani-235. Aquesta secció depèn de la velocitat dels neutrons incidents.
Diferències entre els diferents tipus de reactors nuclears
En tots els reactors moderats, alguns neutrons de tots els nivells d'energia produiran fissió, inclosos els neutrons ràpids.
Alguns reactors són més tèrmics que altres. Per exemple, en un reactor CANDU gairebé totes les reaccions de fissió són produïdes per neutrons tèrmics. D'altra banda, en un reactor d'aigua a pressió (PWR), una part considerable de les fissions són produïdes per neutrons de major energia.
En el reactor d'aigua supercrítica (SCWR), la proporció de fissions ràpida, no cal excedir el 50%, el que tècnicament és un reactor de neutrons ràpid.
Reactors nuclears ràpids
Un reactor ràpid no utilitza cap moderador, però es basa en la fissió produïda per neutrons ràpids no moderats.
En alguns dissenys, fins al 20% de les fissions poden provenir de la fissió directa amb neutrons ràpids de l'urani-238, un isòtop que no és fissionable amb els neutrons tèrmics.
