¿Cuál es el mejor moderador, grafito, agua ligera o agua pesada? ¿Cómo los ordenaría de mejor a peor?

Answer 1

Cuando se habla de “mejor moderador”, tiene tres consideraciones: absorbancia : la cantidad de neutrones que atraviesan se absorben en el moderador, envenenan la reacción y el letargo : qué tan bien cada colisión frena un neutrón y, por último, el costo . La sección transversal de dispersión también es importante, pero en general solo significa que el sistema debe ser más grande si es más bajo.

Material / Absorbancia / Letargo
Hidrógeno 1 / 0.332 / 0.5
Hidrógeno 2 / 0.0005 / 0.33
Carbono / 0.0034 / 0.08
Oxígeno / 0.0003 / 0.06

Entonces, cuando absolutamente no debes perder neutrones, el agua normal está fuera, porque un átomo de hidrógeno-1 toma neutrones como locos, comparativamente.

Ahora, el letargo significa que necesita 4 colisiones con carbono para igualar una colisión con deuterio para la moderación. Esta es la razón por la que los paquetes de combustible de CANDU se envasan sueltos pero aún son bastante compactos en comparación con los canales de combustible, por ejemplo, en un AGR británico.

Por lo tanto, si el costo de capital no es una consideración, usted va con agua pesada, y puede usar uranio sin otra consideración que la purificación y la reducción a un estado de oxidación constante. Gasta más en la planta de energía, pero menos en el combustible. Los núcleos D20 tienen unos 2 metros de ancho.
Si desea obtener el mismo costo de combustible por un núcleo más barato, use carbón y use un diámetro de núcleo de 6 metros.
Y si quieres una planta de energía “barata”, vas con agua ligera, enriqueces tu combustible y haces toda una industria de eso. El combustible cuesta aproximadamente 8 veces más, pero su planta tiene un núcleo pequeño (0,5 metros si lo desea).

Entonces, sé que no los he clasificado … porque lo que es “mejor” depende de su ponderación del costo de capital, el costo del combustible, el tamaño (y la masa) del núcleo y la infraestructura disponible. Los Estados Unidos los clasificaron como agua ligera, carbón, agua pesada. Gran Bretaña y Rusia colocan al Carbono en primer lugar. Canadá y la India pusieron el agua pesada en primer lugar (por diferentes razones).

Answer 2

El trabajo del moderador es reducir la velocidad de los neutrones a las energías térmicas. Esto sucede en virtud de la colisión elástica. Para perder la energía máxima en una colisión elástica, ambas partículas colisionadas deben tener la misma masa. Aquí, una partícula es un neutrón, por lo que perderá la energía máxima si colisiona con un átomo de hidrógeno (su núcleo tiene un solo protón). De ahí que el agua ligera sea la mejor moderadora. Es por eso que la mayoría de los reactores son moderados con agua ligera. Esta propiedad se cuantifica como potencia de reducción de la velocidad macroscópica (MSDP)

Ahora viene otro escenario. La mayoría de los materiales ofrecen una gran sección de absorción para retardar los neutrones (térmicos y epitermales). Por lo tanto, la sección transversal de absorción de neutrones del moderador también es importante al seleccionar un moderador. Por lo tanto, se utiliza un nuevo término ‘Relación de moderación’ como medida de la efectividad de un moderador.

Aquí el agua pesada puntúa sobre el agua ligera. Debido a esto en reactores donde la economía de neutrones es primordial, debido al uso de combustible de uranio (natural) no enriquecido, por ejemplo; Reactores de agua pesada presurizada (PHWR), el agua pesada se utiliza como moderador.

El grafito también es un muy buen moderador y se utiliza en RBMK y también en GCR. Pero los reactores enfriados por agua (especialmente PWR y BWR) usan la misma agua que el refrigerante y el moderador. Aunque los PHWR utilizan un moderador diferente y un circuito de refrigerante (ambos basados ​​en agua pesada) afirman que el moderador que rodea los canales de combustible puede actuar como disipador de calor.

Answer 3

En términos de desaceleración de neutrones, el concepto de “mejor” moderador no es tan simple como sugeriría la formulación de su pregunta.

La elección del moderador depende del espectro de energía en el que desea que funcione el reactor nuclear (neutrón rápido o neutrón térmico), el material combustible utilizado, la configuración de la geometría del núcleo del reactor y también el factor económico (costo del moderador) .

Pero en un modelo de colisión cinético clásico simplista puede calcular un término llamado letargo, que es la reducción logarítmica media de la energía de neutrones por colisión:
Al aire libre
Al aire libre
Desde donde puede usarlo para calcular el número medio de colisiones necesarias para reducir la velocidad de una energía a una energía más baja:

Al aire libre
Al aire libre
También otro parámetro es la eficiencia del moderador:
Al aire libre
Donde los sigmas son la sección transversal macroscópica nuclear (s para dispersión y para absorción respectivamente) del moderador, que es solo la probabilidad relativa de que un neutrón se dispersará en lugar de ser absorbido durante la totalidad del número de colisiones necesarias para disminuir la velocidad.

De estos dos, se obtiene una imagen aproximada de que un buen moderador tiene un número atómico bajo, una sección transversal de alta dispersión y una sección transversal de absorción baja.
Hago la advertencia de que esto es en realidad más complejo, ya que la termalización obedece a las leyes probabilísticas y sigue de cerca las distribuciones de neutrones maxwellianos. Por ejemplo, aquí está la ecuación de transporte de neutrones dependiente de la energía y angular:
Al aire libre

Answer 4

Los neutones rápidos pierden energía principalmente por colisiones elásticas. Cuando un neutrón colisiona con un objetivo pesado, simplemente rebota como una pelota de ping pong. Cuando se encuentran con un protón que es casi la misma masa que el neutrón, pueden perder hasta la mitad de su energía en una sola colisión. Por lo tanto, los materiales con más protones por volumen son mejores moderadores. Eso significa que el agua liviana es mejor, el agua pesada es la siguiente, y luego el grafito. Como los neutrones se calientan, las colisiones inelásticas se vuelven importantes. Se pueden absorber completamente en reacciones nucleares. Estas reacciones incluyen n-gamma, n-2n y fisión.

Answer 5

Agua pesada, grafito, agua ligera.