kluczem do utrzymania reakcji łańcuchowej w reaktorze jądrowym jest użycie, średnio, dokładnie jednego z neutronów uwolnionych z każdego rozszczepienia jądrowego do stymulowania innego rozszczepienia jądrowego (w innym jądrze rozszczepialnym). Dzięki starannemu zaprojektowaniu geometrii reaktora i starannej kontroli substancji obecnych w celu wpływania na reaktywność, można osiągnąć i utrzymać samowystarczalną reakcję łańcuchową lub „krytyczność”.,
naturalny uran składa się z mieszaniny różnych izotopów, głównie 238U i znacznie mniejszej ilości (około 0,72% wagowo) 235U. 238U może być rozszczepiony tylko przez neutrony, które są stosunkowo energetyczne, około 1 MeV lub powyżej. Żadna ilość 238U nie może być „krytyczna”, ponieważ ma tendencję do pasożytniczego pochłaniania więcej neutronów niż uwalnia w procesie rozszczepienia. Z drugiej strony 235U może podtrzymywać samoczynną reakcję łańcuchową, ale ze względu na niską naturalną obfitość 235U naturalny uran nie może sam osiągnąć krytyczności.,
sztuką osiągnięcia krytyczności przy użyciu tylko naturalnego lub nisko wzbogaconego uranu, dla którego nie ma „gołej” masy krytycznej, jest spowolnienie emitowanych neutronów (bez ich pochłaniania) do tego stopnia, że wystarczająca ich ilość może spowodować dalsze rozszczepienie jądrowe w niewielkiej ilości 235U, która jest dostępna. (238U, który stanowi większość naturalnego uranu, jest również rozszczepialny za pomocą szybkich neutronów.) Wymaga to użycia moderatora neutronów, który pochłania praktycznie całą energię kinetyczną neutronów, spowalniając je do tego stopnia, że osiągają one równowagę termiczną z otaczającym je materiałem., Stwierdzono, że korzystne dla gospodarki neutronowej jest fizyczne oddzielenie procesu moderowania energii neutronów od samego paliwa uranowego, ponieważ 238U ma wysokie prawdopodobieństwo pochłaniania neutronów o pośrednich poziomach energii kinetycznej, reakcja znana jako absorpcja rezonansowa. Jest to podstawowy powód projektowania reaktorów z oddzielnymi segmentami paliwa stałego, otoczonymi moderatorem, a nie jakąkolwiek geometrią, która dałaby jednorodną mieszankę paliwa i moderatora.,
woda jest doskonałym moderatorem; zwykłe atomy wodoru lub protu w cząsteczkach wody są bardzo zbliżone masowo do pojedynczego neutronu, a więc ich zderzenia skutkują bardzo skutecznym przeniesieniem pędu, podobnym koncepcyjnie do zderzenia dwóch kul bilardowych. Jednakże, oprócz bycia dobrym moderatorem, zwykła woda jest również dość skuteczna w pochłanianiu neutronów., Tak więc użycie zwykłej wody jako moderatora z łatwością pochłonie tak wiele neutronów, że zostanie ich zbyt mało, aby podtrzymać reakcję łańcuchową z małymi izolowanymi jądrami 235U w paliwie, wykluczając w ten sposób krytyczność naturalnego uranu. Z tego powodu reaktor światłowodowy będzie wymagał, aby izotop 235U był skoncentrowany w jego paliwie uranowym, jako wzbogacony uran, na ogół od 3% do 5% 235U wagowo (produkt uboczny tego procesu wzbogacania jest znany jako uran zubożony, a więc składający się głównie z 238U, chemicznie czysty)., Stopień wzbogacenia potrzebny do osiągnięcia krytyczności za pomocą moderatora wody lekkiej zależy od dokładnej geometrii i innych parametrów konstrukcyjnych reaktora.
jedną z komplikacji tego podejścia jest zapotrzebowanie na urządzenia do wzbogacania uranu, które są na ogół kosztowne w budowie i eksploatacji. Stanowią one również problem rozprzestrzeniania broni jądrowej; te same systemy używane do wzbogacania 235U mogą być również wykorzystywane do produkcji znacznie bardziej „czystego” materiału o jakości broni (90% lub więcej 235U), nadającego się do produkcji broni jądrowej., Nie jest to w żaden sposób trywialne działanie, ale wykonalne na tyle, że zakłady wzbogacania stanowią znaczne ryzyko rozprzestrzeniania broni jądrowej.
alternatywnym rozwiązaniem problemu jest użycie moderatora, który nie absorbuje neutronów tak łatwo jak woda. W tym przypadku potencjalnie wszystkie uwalniane neutrony mogą być moderowane i wykorzystywane w reakcjach z 235U, w którym to przypadku jest wystarczająco dużo 235U w naturalnym Uranie, aby utrzymać krytyczność. Jednym z takich moderatorów jest ciężka woda lub tlenek deuteru., Chociaż reaguje dynamicznie z neutronami w sposób podobny do lekkiej wody (choć z mniejszym transferem energii, biorąc pod uwagę, że ciężki wodór lub Deuter, jest około dwa razy większy od wodoru), ma już dodatkowy neutron, który lekka woda zwykle absorbuje.
Dodaj komentarz