Di Nick Touran, Ph. D.
Il moderatore di un reattore nucleare è una sostanza che rallenta i neutroni. Nei reattori nucleari tradizionali, il moderatore è la stessa cosa del refrigerante: è acqua! Quando i neutroni veloci colpiscono gli atomi di idrogeno in H2O, rallentano molto (come una palla da biliardo che colpisce un altro). Ci sono altri buoni moderatori come grafite, berillio e altro ancora.
Perché moderato?
Quando un neutrone in ingresso provoca la scissione del nucleo di un atomo, altri neutroni vengono rilasciati ad altissima velocità. Se almeno uno (in media) di questi neutroni può essere fatto per causare la scissione di un altro atomo di combustibile, è possibile una reazione a catena sostenuta. Come accade, gli atomi di combustibile (come l’uranio) hanno maggiori probabilità di assorbire un neutrone sfrecciando se sta andando lento (vedi Figura 1). Così, molti progetti di reattori utilizzano moderatori per rendere una reazione a catena più facile da raggiungere.
Figura 1 La probabilità che divide un nucleo U235 vs. l’energia del neutrone in arrivo. Si noti quanto sia più probabile la fissione per i neutroni più lenti. Nota anche la scala logaritmica.
Scegliere un materiale moderatore
Alcuni materiali sono più bravi a rallentare i neutroni rispetto ad altri. Le leggi di conservazione dell’energia e della quantità di moto spiegano che un neutrone (massa 1) non può rallentare molto dopo una collisione con un nucleo pesante, come un atomo di combustibile (massa 235). Tuttavia, in una collisione con l’idrogeno (massa 1), un neutrone può infatti rallentare molto lontano. Immagina una pallina da ping-pong che rimbalza su una palla da bowling, al contrario della stessa pallina da ping-pong che si scontra con un’altra pallina da ping-pong. Chiaramente, la pallina da ping-pong farà un lavoro migliore di rallentare le cose. Quindi, quale materiale ha molti elementi leggeri come l’idrogeno e farà un buon moderatore? Il buon vecchio H2O fa il trucco, dando il nome ai reattori ad acqua leggera.
Perché avere moderatore separato e grumi di carburante?
Potresti mescolare il moderatore e il carburante insieme, ma è molto meglio tenerli separati. I neutroni possono essere assorbiti parassiticamente dal combustibile mentre rallentano nelle reazioni che competono con la fissione. Quindi se puoi avere un neutrone veloce nel moderatore dove rallenterà “in pace”, cioè dove non ci sono forti assorbitori di neutroni, e poi farlo rientrare nel carburante come un neutrone lento dove la probabilità di fissione è estremamente alta, allora sarà più facile far funzionare la tua reazione a catena. Questo fatto era richiesto nel primo reattore, CP-1, che utilizzava uranio naturale perché non c’era uranio arricchito nei primi anni 1940.
Che cos’è un vs. termico Reattore veloce?
I neutroni termici hanno moderatori che consentono a molti neutroni di rallentare alle energie termiche (cioè la velocità che gli atomi vibrano nei materiali circostanti a causa della loro temperatura) mentre i reattori veloci non hanno un moderatore e i loro neutroni rimangono ad alte energie (cioè si muovono velocemente).
- Reattori veloci
- Scheda di dati nucleare valutata 7