Moderador de neutrones
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Mantener una pequeña cantidad de material moderador a temperaturas muy bajas en un reactor nuclear proporciona una fuente muy útil para la producción de haces de neutrones de alta intensidad y baja energía, que se emplean en estudios relativos al estado estructural sólido y líquido de los materiales. Dado que se sabe muy poco sobre los factores que afectan a la eficacia de tales fuentes, se ha puesto en funcionamiento una instalación experimental para estudiar diversos parámetros, en particular la distribución espacial del moderador frío. Se describe la instalación, su diseño y funcionamiento, haciendo hincapié en los problemas creados por la adición de un campo de radiación nuclear al entorno criogénico. Se presentan los resultados de los estudios iniciales sobre la moderación de neutrones por metano sólido a 84K. Autor
¿Qué material se utiliza como moderador de neutrones?
El hidrógeno líquido, el hielo y el metano sólido son materiales moderadores de neutrones habituales. Más recientemente se han propuesto el hidrato de metano y el mesitileno para mejorar el rendimiento de estos materiales. El hidrógeno líquido se utiliza en fuentes de neutrones por espalación de alta potencia, ya que es el único material que resiste una potencia tan elevada.
¿Cuál es la función de un moderador en un reactor?
Material, como agua ordinaria, agua pesada o grafito, que se utiliza en un reactor para ralentizar los neutrones de alta velocidad, aumentando así la probabilidad de fisión.
Uranio enriquecido
La moderación es el proceso de ralentizar los neutrones en un reactor nuclear para que puedan promover fácilmente la fisión de un núcleo[1]. El material que provoca esta ralentización de los neutrones se conoce como moderador[2].
Los neutrones salen de un evento de fisión con energías entre 1 y 10 MeV,[1] que es demasiado alta para crear de forma fiable otro evento de fisión. Esto se debe a que la sección transversal para la captura de neutrones (la probabilidad de que un isótopo absorba un neutrón, dando lugar a un evento de fisión) es mayor para los neutrones que tienen una energía de sólo 1 eV, un millón de veces menos[3] Los neutrones con energías inferiores a un electrón voltio se conocen como neutrones térmicos, ya que tienen energías similares a las que tienen las partículas como resultado de la energía térmica ordinaria a temperatura ambiente. Debido a que la probabilidad de fisión es mayor con neutrones más lentos, los neutrones deben ser ralentizados a este rango térmico antes de que la fisión sea probable.
Los neutrones se ralentizan en cierta medida cuando se dispersan inelásticamente con el uranio-238 no fisionable, pero aún así debe haber un moderador para que el reactor nuclear funcione correctamente. Los neutrones colisionan elásticamente con el núcleo del medio moderador, transfiriendo parte de su energía al núcleo[3], lo que provoca la ralentización del neutrón. Obsérvese la simulación anterior, que muestra cómo determinados núcleos del moderador frenan los neutrones rápidos al colisionar.
Plutonio
Los reactores utilizan uranio como combustible nuclear. El uranio se procesa en pequeñas pastillas cerámicas y se apilan en tubos metálicos sellados llamados barras de combustible. Normalmente, más de 200 de estas barras se agrupan para formar un conjunto combustible. El núcleo de un reactor suele estar formado por un par de centenares de elementos, dependiendo del nivel de potencia.
Dentro de la vasija del reactor, las barras de combustible se sumergen en agua, que actúa como refrigerante y moderador. El moderador ayuda a ralentizar los neutrones producidos por la fisión para mantener la reacción en cadena.
Más del 65% de los reactores comerciales de Estados Unidos son reactores de agua a presión o PWR. El agua del núcleo se calienta por fisión nuclear y se bombea a unos tubos situados en el interior de un intercambiador de calor. Estos tubos calientan otra fuente de agua para generar vapor. El agua del núcleo vuelve al reactor para ser recalentada y se repite el proceso.Reactores de agua en ebullición
Plutonio-239
En ingeniería nuclear, un moderador de neutrones es un medio que reduce la velocidad de los neutrones rápidos, convirtiéndolos así en neutrones térmicos capaces de mantener una reacción nuclear en cadena en la que interviene el uranio-235. Los moderadores más utilizados son el deuterio (como agua pesada), el hidrógeno (como agua ordinaria o ligera) y el grafito.
Los moderadores más utilizados son el deuterio (como agua pesada), el hidrógeno (como agua ordinaria o ligera) y el grafito. También se ha utilizado el berilio en algunos tipos experimentales, y se han sugerido los hidrocarburos como otra posibilidad.
En un reactor nuclear térmico, el núcleo de un elemento combustible pesado como el uranio absorbe un neutrón libre de movimiento lento, se vuelve inestable y se divide (“fisiona”) en dos átomos más pequeños (“productos de fisión”). El proceso de fisión de los átomos de uranio produce dos productos de fisión, de dos a tres neutrones libres de movimiento rápido, además de una cantidad de energía que se manifiesta principalmente en la energía cinética de los productos de fisión en retroceso. Dado que en una fisión de uranio se liberan más neutrones libres de los necesarios para iniciarla, la reacción puede llegar a ser autosostenida -una reacción en cadena- en condiciones controladas, liberando así una enorme cantidad de energía. Sin embargo, la probabilidad de que se produzcan más fisiones depende de la velocidad (energía) de los neutrones incidentes. Los neutrones más rápidos tienen muchas menos probabilidades de provocar más fisiones. (Nota: No es imposible que los neutrones rápidos causen fisión, sólo mucho menos probable). Los neutrones rápidos recién liberados, que se mueven aproximadamente a un 10% de la velocidad de la luz, deben ser ralentizados o “moderados”, normalmente a velocidades de unos pocos kilómetros por segundo, para que sea probable que causen más fisiones en los núcleos de uranio vecinos y, por tanto, continúen la reacción en cadena.