de sleutel tot het in stand houden van een nucleaire kettingreactie binnen een kernreactor is om gemiddeld precies één van de neutronen te gebruiken die vrijkomen bij elke kernsplijtingsgebeurtenis om een andere kernsplijtingsgebeurtenis te stimuleren (in een andere splijtbare kern). Met een zorgvuldig ontwerp van de geometrie van de reactor en een zorgvuldige controle van de aanwezige stoffen om de reactiviteit te beïnvloeden, kan een zichzelf in stand houdende kettingreactie of “kriticiteit” worden bereikt en gehandhaafd.,
natuurlijk uranium bestaat uit een mengsel van verschillende isotopen, voornamelijk 238U en een veel kleinere hoeveelheid (ongeveer 0,72 gewichtsprocent) 235U. 238U kan alleen worden gespleten door neutronen die relatief energetisch zijn, ongeveer 1 MeV of meer. Geen enkele hoeveelheid van 238U kan “kritisch” worden gemaakt, aangezien het de neiging heeft meer neutronen op parasitaire wijze te absorberen dan het door het splijtingsproces vrijmaakt. 235U daarentegen kan een zelfvoorzienende kettingreactie ondersteunen, maar door de lage natuurlijke overvloed van 235U kan natuurlijk uranium op zichzelf geen kriticiteit bereiken.,
De truc om kriticiteit te bereiken met alleen natuurlijk of laagverrijkt uranium, waarvoor geen “kale” kritische massa bestaat, is de uitgestoten neutronen (zonder ze te absorberen) zodanig te vertragen dat voldoende van deze neutronen verdere kernsplijting kunnen veroorzaken in de kleine hoeveelheid van 235U die beschikbaar is. (238U, het grootste deel van natuurlijk uranium, is ook splijtbaar met snelle neutronen. Dit vereist het gebruik van een neutronenmoderator, die vrijwel alle kinetische energie van de neutronen absorbeert en hen vertraagt tot het punt dat zij thermisch evenwicht bereiken met het omringende materiaal., Het is nuttig gebleken voor de neutroneneconomie om het neutronenenergiematigingsproces fysiek te scheiden van de uraniumbrandstof zelf, aangezien 238U een grote kans heeft om neutronen met tussenliggende kinetische energieniveaus te absorberen, een reactie die bekend staat als resonantieabsorptie. Dit is een fundamentele reden voor het ontwerpen van reactoren met afzonderlijke segmenten vaste brandstof, omgeven door de moderator, in plaats van een geometrie die een homogene mix van brandstof en moderator zou geven.,
Water is een uitstekende moderator; de gewone waterstof-of protiumatomen in de watermoleculen zijn in Massa zeer dicht bij een enkel neutron, zodat hun botsingen resulteren in een zeer efficiënte overdracht van momentum, vergelijkbaar conceptueel met de botsing van twee biljartballen. Echter, evenals een goede moderator, gewoon water is ook zeer effectief in het absorberen van neutronen., En dus zal het gebruik van gewoon water als moderator gemakkelijk zo veel neutronen absorberen dat er te weinig overblijven om een kettingreactie met de kleine geïsoleerde 235U kernen in de brandstof te ondersteunen, waardoor kriticiteit in natuurlijk uranium wordt uitgesloten. Daarom zal een lichtwaterreactor vereisen dat de 235U-isotoop in zijn uraniumbrandstof wordt geconcentreerd, als verrijkt uranium, in het algemeen tussen 3 en 5 gewichtsprocent 235U (het bijproduct van dit procesverrijkingsprocédé wordt verarmd uranium genoemd en bestaat dus hoofdzakelijk uit 238U, chemisch zuiver)., De mate van verrijking die nodig is om met een lichtwatermoderator kritischer te worden, hangt af van de exacte geometrie en andere ontwerpparameters van de reactor.
een complicatie van deze aanpak is de behoefte aan uraniumverrijkingsinstallaties, die over het algemeen duur zijn om te bouwen en te exploiteren. Ze vormen ook een kernproliferatieprobleem; dezelfde systemen die worden gebruikt om de 235U te verrijken, kunnen ook worden gebruikt om veel meer “zuiver” materiaal van wapenkwaliteit te produceren (90% of meer 235U), geschikt voor het produceren van een kernwapen., Dit is in geen geval een triviale exercitie, maar haalbaar genoeg dat verrijkingsinstallaties een aanzienlijk risico op nucleaire proliferatie vormen.
een alternatieve oplossing voor het probleem is het gebruik van een moderator die neutronen niet zo gemakkelijk absorbeert als water. In dit geval kunnen potentieel alle neutronen die vrijkomen worden gemodereerd en gebruikt in reacties met de 235U, in welk geval er voldoende 235U in natuurlijk uranium is om de kriticiteit te handhaven. Een dergelijke moderator is zwaar water, of deuterium-oxide., Hoewel het dynamisch reageert met de neutronen op een manier vergelijkbaar met Licht water (zij het met minder energie overdracht gemiddeld, gezien het feit dat zware waterstof, of deuterium, is ongeveer tweemaal de massa van waterstof), het heeft al de extra neutron die licht water normaal zou neigen te absorberen.
Geef een reactie