door Nick Touran, Ph. D.
de moderator van een kernreactor is een stof die neutronen vertraagt. In traditionele kernreactoren is de moderator hetzelfde als de koelvloeistof: het is water! Wanneer snelle neutronen de waterstofatomen raken in H2O, vertragen ze veel (zoals een biljartbal die een ander raakt). Er zijn andere goede moderators zoals grafiet, beryllium, en meer.
waarom matig?
wanneer een binnenkomend neutron de kern van een atoom doet splijten, komen andere neutronen met zeer hoge snelheid vrij. Als ten minste één (gemiddeld) van deze neutronen kan worden gemaakt om een ander brandstofatoom te splitsen, is een aanhoudende kettingreactie mogelijk. Als het gebeurt, hebben brandstofatomen (zoals uranium) meer kans om een neutron te absorberen suizen door als het langzaam gaat (zie Figuur 1). Veel reactorontwerpen maken gebruik van moderatoren om een kettingreactie gemakkelijker te bereiken.
figuur 1 de kans op splitsing van een u235 kern vs. de energie van het binnenkomende neutron. Merk op hoeveel waarschijnlijker splijting is voor langzamere neutronen. Let ook op logaritmische schaal.
een moderator materiaal kiezen
sommige materialen zijn beter in het vertragen van neutronen dan andere. Behoud van energie en momentum wetten verklaren dat een neutron (massa 1) niet veel kan vertragen na een botsing met een zware kern, zoals een brandstofatoom (massa 235). Maar bij een botsing met waterstof (massa 1) kan een neutron in feite heel ver vertragen. Stel je een pingpongbal voor die stuitert op een bowlingbal, in tegenstelling tot dezelfde Pingpongbal die botst met een andere Pingpongbal. Het is duidelijk dat de pingpongbal het beter kan vertragen. Dus welk materiaal heeft veel lichtelementen zoals Waterstof erin en zal een goede moderator zijn? Goede oude H2O doet de truc, het geven van de naam aan licht-water reactoren.
waarom afzonderlijke moderator-en brandstofklonten hebben?
je zou je moderator en brandstof kunnen mengen, maar het is veel beter om ze gescheiden te houden. Neutronen kunnen parasitair worden geabsorbeerd door brandstof omdat ze vertragen in reacties die concurreren met kernsplijting. Dus als je een snel neutron naar de moderator kunt laten gaan waar het “in vrede” zal vertragen, dat wil zeggen waar er geen sterke neutronenabsorbers zijn, en het dan opnieuw in de brandstof kan laten komen als een langzaam neutron waar de kans op splijting extreem hoog is, dan zal het gemakkelijker zijn om je kettingreactie te laten werken. Dit was nodig in de eerste reactor, CP-1, die natuurlijk uranium gebruikte omdat er begin jaren veertig geen verrijkt uranium was.
Wat is een thermische vs. Snelle reactor?
thermische neutronen hebben moderatoren die het mogelijk maken dat veel neutronen vertragen tot thermische energieën (d.w.z. De snelheid waarmee atomen in de omringende materialen trillen vanwege hun temperatuur) terwijl snelle reactoren geen moderator hebben en hun neutronen op hoge energieën blijven (d.w.z. ze bewegen snel).
- Snelle Reactoren
- Geëvalueerd Nucleair Gegevensbestand 7