Модераторы

Замедлитель предназначен для замедления быстрых нейтронов, чтобы они легче поглощались делящимися ядрами. Есть два основных фактора при выборе модератора:

1. Замедлитель не должен сам поглощать нейтроны. Это означает, что он должен иметь относительно низкое поперечное сечение поглощения нейтронов.
2. Замедлитель должен эффективно замедлять нейтроны. Моделирование столкновений нейтронов с ядрами как классического упругого столкновения, во многом аналогично моделированию молекул газа, дает результат, что чем ближе масса ядра к массе нейтрона, тем больше энергии будет передано при столкновении. Это означает, что предпочтение отдается более легким элементам.

Следующее уравнение показывает относительную долю энергии, теряемую при столкновении, ξ, в среднем для нейтрона, сталкивающегося с нуклидом массы А. Е — начальная энергия нейтрона, а Е_с — энергия после рассеяния.

$$xi = left langle ln left( frac>> right) right rangle = 1 — frac> ln left( frac right)$$

Вывод этого уравнения выходит за рамки этой TLP, но основная физика проста. При упругих столкновениях кинетическая энергия и импульс сохраняются, и энергия, теряемая нейтроном, может быть рассчитана для любого заданного угла контакта. В трех измерениях необходимо интегрировать по всем возможным углам, чтобы получить среднее значение.

Уравнение хорошо аппроксимируется:

Этого достаточно для большинства целей (чтобы увидеть ошибку в приближении, щелкните здесь).Поскольку это классический вывод, примененный к квантовой ситуации, вероятно, из-за первоначальных предположений существует больше ошибок, чем из-за этого математического приближения.

Посмотрите интерактивный фильм ниже, чтобы увидеть этот эффект в действии. Фильм подчиняется той же физике, которая использовалась для вывода приведенных выше уравнений, за исключением двумерного, а не трехмерного случая. Моделирование предназначено для демонстрации потери энергии при столкновении и не дает точного представления о том, как часто происходят эти столкновения: межатомные расстояния были значительно уменьшены в иллюстративных целях. На практике именно сечение рассеяния определяет оценивать нейтронных столкновений.

Наконец, приведенный выше анализ можно модифицировать в отношении нейтронных сечений, приняв во внимание отношение ξ ( Σ _с / Σ _а). Это взвешивает ξ с сечениями поглощения и рассеяния. Чем выше этот коэффициент, тем больше подходит материал в качестве модератора.

графит

Исторически графит был очень популярным замедлителем нейтронов и используется в большинстве британских реакторов. Однако используемый графит должен быть очень чистым, чтобы быть эффективным. Графит можно производить искусственно с использованием борных электродов, и даже незначительное загрязнение от этих электродов может сделать графит непригодным в качестве замедлителя, поскольку бор является высокоэффективным поглотителем нейтронов и поэтому «отравляет» графит, увеличивая общий крест поглощения. сечение, Σ _а. У него также есть уникальные проблемы: он накапливает энергию в метастабильных локальных дефектах при облучении, особенно при более низких температурах. Эта так называемая энергия Вигнера может внезапно высвобождаться, когда графит спонтанно возвращается в свою стабильную фазу, и такое резкое повышение температуры нежелательно, поскольку оно может вызвать дальнейшее структурное повреждение внутри реактора. Это означает, что графит должен подвергаться отжигу для удаления избыточной энергии в его решетке контролируемым образом.Следующий фильм показывает трехмерные модели решетки графита и демонстрирует происхождение этой метастабильной фазы в решетке графита.

Другие распространенные варианты:

Легкая вода

Водород является хорошим кандидатом в качестве замедлителя нейтронов, потому что его масса почти идентична массе падающего нейтрона, и поэтому одно столкновение существенно снижает скорость нейтрона. Однако водород также имеет относительно высокое сечение поглощения нейтронов из-за его склонности к образованию дейтерия, поэтому легкая вода подходит только для обогащенного топлива, которое допускает более высокую долю быстрых нейтронов.

Тяжелая вода

Тяжелая вода обладает теми же преимуществами, что и легкая вода, но поскольку ее молекулы уже содержат атомы дейтерия, она имеет низкое сечение поглощения. Кроме того, из-за высокой энергии быстрых нейтронов дополнительный нейтрон может быть выбит из атома дейтерия при столкновении, что увеличивает количество присутствующих нейтронов. Основным недостатком тяжелой воды как замедлителя является ее высокая цена.

Бериллий

Бериллий-9 предпочтительнее, потому что помимо того, что он является легким элементом, при столкновении с быстрым нейтроном он может реагировать следующим образом:

9 Ве + п → 8 Ве + 2н

Основными проблемами бериллия являются его хрупкость в качестве металлической фазы и его токсичность, что делает его менее предпочтительным в качестве замедлителя, чем другие материалы, упомянутые здесь.

фторид лития

Фторид лития обычно используется в реакторах с расплавленной солью. Он смешивается с расплавленным металлом и топливом, поэтому его структурные свойства в твердом состоянии не важны.

2004-2022 Кембриджский университет.
Если не указано иное, контент распространяется по лицензии
Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 2.0 UK: лицензия Англии и Уэльса.