nøglen til at opretholde en nuklear kædereaktion i en atomreaktor, er at bruge, i gennemsnit, præcis en af de neutroner, der frigøres fra hver nuklear fission begivenhed for at stimulere en anden nuklear fission tilfælde (i en anden spaltelige kerner). Med omhyggelig design af reaktorens geometri og omhyggelig kontrol af de tilstedeværende stoffer for at påvirke reaktiviteten kan en selvbærende kædereaktion eller “kritikalitet” opnås og opretholdes.,
Naturligt uran består af en blanding af forskellige isotoper, primært 238U og et meget mindre beløb (ca 0.72% efter vægt) af 235U. 238U kan kun fissioned af neutroner, der er relativt energisk, omkring 1 MeV eller derover. Ingen mængde 238U kan gøres “kritisk”, da det vil have tendens til parasitisk at absorbere flere neutroner, end det frigiver ved fissionsprocessen. 235U kan derimod understøtte en selvbærende kædereaktion, men på grund af den lave naturlige overflod af 235U kan naturligt uran ikke opnå kritik af sig selv.,
Det trick til at opnå kritikalitet ved hjælp af kun naturlige eller lavt beriget uran, som der ikke er noget “bare” kritisk masse, er at bremse den, der udsendes neutroner (uden at absorbere dem) til det punkt, hvor nok af dem, kan forårsage yderligere nuklear fission i den lille mængde 235U, der er til rådighed. (238U, som er hovedparten af naturligt uran, er også fissilt med hurtige neutroner.) Dette kræver brug af en neutron moderator, som absorberer stort set alle neutronernes kinetiske energi, hvilket bremser dem ned til det punkt, at de når termisk ligevægt med omgivende materiale., Det er blevet konstateret, til gavn for neutron økonomi til fysisk at adskille neutron energi modereringsproces fra uran-brændsel i sig selv, som 238U har en høj sandsynlighed for at absorbere neutroner med mellemliggende kinetisk energi niveauer, en reaktion kendt som “resonans” absorption. Dette er en grundlæggende grund til at designe reaktorer med separate faste brændselssegmenter, omgivet af moderatoren, snarere end nogen geometri, der ville give en homogen blanding af brændstof og moderator.,
vand er en fremragende moderator; de almindelige hydrogen-eller protiumatomer i vandmolekylerne er meget tæt på massen til en enkelt neutron, og derfor resulterer deres kollisioner i en meget effektiv overførsel af momentum, der svarer konceptuelt til kollisionen af to billardkugler. Men ud over at være en god moderator er almindeligt vand også ret effektivt til at absorbere neutroner., Og så ved at bruge almindeligt vand som moderator vil det let absorbere så mange neutroner, at der er for få tilbage til at opretholde en kædereaktion med de små isolerede 235U-kerner i brændstoffet, hvilket forhindrer kritik i naturligt uran. På grund af dette, en lys -, vand-reaktoren vil kræve, at 235U isotop være koncentreret i sin uran-brændsel, som beriget uran, generelt mellem 3% til 5% 235U vægt (biproduktet fra denne proces berigelse proces er kendt som forarmet uran, og så består hovedsageligt af 238U, kemisk rene)., Graden af berigelse, der er nødvendig for at opnå kritik med en lysvandsmoderator, afhænger af reaktorens nøjagtige geometri og andre designparametre.
en komplikation ved denne fremgangsmåde er behovet for uranberigningsfaciliteter, som generelt er dyre at bygge og drive. De udgør også en nuklear spredning bekymring; de samme systemer, der bruges til at berige 235U, kan også bruges til at producere meget mere “rent” våbenkvalitetsmateriale (90% eller mere 235U), der er egnet til fremstilling af et atomvåben., Dette er ikke en triviel øvelse på nogen måde, men gennemførligt nok til, at berigningsfaciliteter udgør en betydelig nuklear spredningsrisiko.
en alternativ løsning på problemet er at bruge en moderator, der ikke absorberer neutroner så let som vand. I dette tilfælde kan alle neutroner, der frigives, modereres og bruges i reaktioner med 235U, i hvilket tilfælde der er nok 235U i naturligt uran til at opretholde kritik. En sådan moderator er tungt vand eller deuterium-o .id., Selvom det reagerer dynamisk med neutronerne på en måde, der ligner let vand (omend med mindre energioverførsel i gennemsnit, i betragtning af at tungt brint eller deuterium er cirka dobbelt så meget som brint), har det allerede den ekstra neutron, som let vand normalt ville have tendens til at absorbere.
Skriv et svar