nyckeln till att upprätthålla en kärnkedjereaktion inom en kärnreaktor är att i genomsnitt använda exakt en av de neutroner som frigörs från varje kärnklyvning händelse för att stimulera en annan kärnklyvning händelse (i en annan klyvbar kärna). Med noggrann utformning av reaktorns geometri och noggrann kontroll av de ämnen som finns för att påverka reaktiviteten kan en självbärande kedjereaktion eller ”kritik” uppnås och upprätthållas.,
naturligt uran består av en blandning av olika isotoper, främst 238U och en mycket mindre mängd (ca 0,72 viktprocent) av 235U. 238U kan endast klyvas av neutroner som är relativt energiska, ca 1 MeV eller högre. Ingen mängd 238U kan göras ”kritisk” eftersom det tenderar att parasitiskt absorbera fler neutroner än det släpper ut genom fissionsprocessen. 235U, å andra sidan, kan stödja en självförsörjande kedjereaktion, men på grund av den låga naturliga överflöd av 235U, naturligt uran kan inte uppnå kritik av sig själv.,
tricket att uppnå kritik med endast naturligt eller lågt anrikat uran, för vilket det inte finns någon ”bar” kritisk massa, är att sakta ner de emitterade neutronerna (utan att absorbera dem) till den punkt där tillräckligt många av dem kan orsaka ytterligare kärnklyvning i den lilla mängd 235U som är tillgänglig. (238U som är huvuddelen av naturligt uran är också klyvbart med snabba neutroner.) Detta kräver användning av en neutronmoderator, som absorberar praktiskt taget all neutrons kinetiska energi, vilket saktar ner dem till den punkt att de når termisk jämvikt med omgivande material., Det har visat sig vara fördelaktigt för neutronekonomin att fysiskt separera neutronenergimätningsprocessen från själva uranbränslet, eftersom 238U har stor sannolikhet att absorbera neutroner med mellanliggande kinetiska energinivåer, en reaktion som kallas ”resonans” absorption. Detta är en grundläggande anledning till att konstruera reaktorer med separata fasta bränslesegment, omgivna av moderatorn, snarare än någon geometri som skulle ge en homogen blandning av bränsle och moderator.,
vatten gör en utmärkt moderator; de vanliga väte-eller protiumatomerna i vattenmolekylerna är mycket nära i Massa till en enda neutron, och så resulterar deras kollisioner i en mycket effektiv överföring av momentum, liknande konceptuellt till kollisionen av två biljardbollar. Men förutom att vara en bra moderator är vanligt vatten också ganska effektivt vid absorption av neutroner., Och så använder vanligt vatten som moderator lätt absorberar så många neutroner att för få är kvar för att upprätthålla en kedjereaktion med de små isolerade 235U kärnorna i bränslet, vilket utesluter kritik i naturligt uran. På grund av detta kommer en lättvattenreaktor att kräva att 235U-isotopen koncentreras i sitt uranbränsle, som anrikat uran, i allmänhet mellan 3% till 5% 235U i vikt (biprodukten från denna processanrikningsprocess kallas utarmat uran, och består därför huvudsakligen av 238U, kemiskt rent)., Graden av anrikning som behövs för att uppnå kritik med en ljusvattenmoderator beror på reaktorns exakta geometri och andra konstruktionsparametrar.
en komplikation av detta tillvägagångssätt är behovet av anläggningar för anrikning av uran, som i allmänhet är dyra att bygga och driva. De utgör också en kärnvapenspridning. samma system som används för att berika 235U kan också användas för att producera mycket mer ”rent” vapenkvalitetsmaterial (90% eller mer 235U), som är lämpligt för att producera ett kärnvapen., Detta är inte en trivial övning på något sätt, men genomförbart nog att anrikningsanläggningarna utgör en betydande risk för spridning av kärnvapen.
en alternativ lösning på problemet är att använda en moderator som inte absorberar neutroner lika lätt som vatten. I detta fall potentiellt alla neutroner som släpps kan modereras och användas i reaktioner med 235U, i vilket fall det finns tillräckligt 235U i naturligt uran för att upprätthålla kritik. En sådan moderator är tungt vatten eller deuteriumoxid., Även om det reagerar dynamiskt med neutronerna på ett sätt som liknar lätt vatten (om än med mindre energiöverföring i genomsnitt, med tanke på att tungt väte, eller deuterium, är ungefär dubbelt så mycket väte), har det redan den extra neutron som lätt vatten normalt skulle tenderar att absorbera.
Lämna ett svar