Vedi anche: Fisica dei reattori nucleari, fissione nucleare e acqua pesante

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La chiave per mantenere una reazione a catena nucleare all’interno di un reattore nucleare è usare, in media, esattamente uno dei neutroni rilasciati da ogni evento di fissione nucleare per stimolare un altro evento di fissione nucleare (in un altro nucleo fissile). Con un’attenta progettazione della geometria del reattore e un attento controllo delle sostanze presenti in modo da influenzare la reattività, è possibile ottenere e mantenere una reazione a catena autosufficiente o “criticità”.,

L’uranio naturale è costituito da una miscela di vari isotopi, principalmente 238U e una quantità molto più piccola (circa lo 0,72% in peso) di 235U. 238U può essere fissato solo da neutroni relativamente energetici, circa 1 MeV o superiore. Nessuna quantità di 238U può essere resa “critica” poiché tenderà ad assorbire parassiticamente più neutroni di quelli che rilascia dal processo di fissione. 235U, d’altra parte, può supportare una reazione a catena auto-sostenuta, ma a causa della bassa abbondanza naturale di 235U, l’uranio naturale non può raggiungere la criticità da solo.,

Il trucco per raggiungere la criticità usando solo uranio naturale o a basso arricchimento, per il quale non esiste una massa critica “nuda”, è rallentare i neutroni emessi (senza assorbirli) al punto in cui abbastanza di essi possono causare ulteriore fissione nucleare nella piccola quantità di 235U disponibile. (238U che è la maggior parte dell’uranio naturale è anche fissionabile con neutroni veloci.) Ciò richiede l’uso di un moderatore di neutroni, che assorbe praticamente tutta l’energia cinetica dei neutroni, rallentandoli al punto che raggiungono l’equilibrio termico con il materiale circostante., È stato trovato utile per l’economia dei neutroni separare fisicamente il processo di moderazione dell’energia neutronica dal combustibile dell’uranio stesso, poiché 238U ha un’alta probabilità di assorbire neutroni con livelli di energia cinetica intermedia, una reazione nota come assorbimento di “risonanza”. Questa è una ragione fondamentale per la progettazione di reattori con segmenti di combustibile solido separati, circondati dal moderatore, piuttosto che qualsiasi geometria che darebbe un mix omogeneo di combustibile e moderatore.,

L’acqua è un ottimo moderatore; i normali atomi di idrogeno o protio nelle molecole d’acqua sono molto vicini in massa a un singolo neutrone, e quindi le loro collisioni provocano un trasferimento di quantità di moto molto efficiente, simile concettualmente alla collisione di due palle da biliardo. Tuttavia, oltre ad essere un buon moderatore, l’acqua ordinaria è anche molto efficace nell’assorbire i neutroni., E così usando l’acqua ordinaria come moderatore assorbirà facilmente così tanti neutroni che ne rimangono troppo pochi per sostenere una reazione a catena con i piccoli nuclei isolati di 235U nel combustibile, precludendo così la criticità nell’uranio naturale. Per questo motivo, un reattore ad acqua leggera richiederà che l’isotopo 235U sia concentrato nel suo combustibile di uranio, come uranio arricchito, generalmente tra il 3% e il 5% 235U in peso (il sottoprodotto di questo processo di arricchimento è noto come uranio impoverito, e quindi costituito principalmente da 238U, chimicamente puro)., Il grado di arricchimento necessario per raggiungere la criticità con un moderatore di acqua leggera dipende dalla geometria esatta e da altri parametri di progettazione del reattore.

Una complicazione di questo approccio è la necessità di impianti di arricchimento dell’uranio, che sono generalmente costosi da costruire e gestire. Presentano anche un problema di proliferazione nucleare; gli stessi sistemi utilizzati per arricchire il 235U possono anche essere utilizzati per produrre materiale molto più” puro ” per armi (90% o più 235U), adatto per produrre un’arma nucleare., Questo non è un esercizio banale, ma abbastanza fattibile che gli impianti di arricchimento presentano un rischio significativo di proliferazione nucleare.

Una soluzione alternativa al problema è usare un moderatore che non assorba i neutroni facilmente come l’acqua. In questo caso potenzialmente tutti i neutroni rilasciati possono essere moderati e utilizzati nelle reazioni con il 235U, nel qual caso c’è abbastanza 235U nell’uranio naturale per sostenere la criticità. Uno di questi moderatori è l’acqua pesante o l’ossido di deuterio., Sebbene reagisca dinamicamente con i neutroni in modo simile all’acqua leggera (anche se con un trasferimento di energia inferiore in media, dato che l’idrogeno pesante, o deuterio, è circa il doppio della massa di idrogeno), ha già il neutrone extra che l’acqua leggera normalmente tenderebbe ad assorbire.