¿Por qué tenemos que reducir la velocidad de los neutrones (por un moderador) para la fisión nuclear?

No tenemos que hacerlo. O más bien, no siempre tenemos que hacerlo.

La mayoría de los reactores nucleares que se operan ahora se denominan “reactor térmico”. Esos necesitan un moderador para reducir la velocidad de los neutrones.

La razón por la que tenemos que reducir la velocidad de los neutrones es que en esos reactores térmicos, usualmente usamos uranio. El uranio natural es aproximadamente 0.7% U-235 y 99.3% U-238 (con trazas de U-234). Y la velocidad de un neutrón se correlaciona directamente con su probabilidad de causar la fisión de un núcleo de uranio. Los uranio-235 básicamente no “ven” los neutrones rápidos. Sin embargo, son “vistos” por Uranium-238.

En un reactor térmico, el combustible generalmente está enriquecido con uranio (alrededor del 5% de U-235). Para que ocurra una reacción en cadena, los neutrones deben ser ralentizados para interactuar con los núcleos U-235. El agua es buena para eso y puede actuar como refrigerante al mismo tiempo. El grafito también es eficiente para frenar los neutrones.

Un neutrón nacido de la fisión U-235 está a una energía (velocidad) promedio a la cual la sección transversal de la fisión (es decir, la probabilidad de que un neutrón interactúe con un núcleo para causar un evento de fisión) de U-235 es baja. Entonces, otros efectos (el neutrón que es absorbido por U-238, o por otros elementos en el reactor) son predominantes, apagan la reacción en cadena.

En consecuencia, no tenemos una reacción en cadena “recta”, con un evento de fisión que genera neutrones que crean directamente eventos de fisión posteriores. En cambio, necesitamos un paso intermedio, que es la “desaceleración” de los neutrones.

La eficiencia del agua ordinaria para desacelerar los neutrones implica que necesitamos más U-235 en el combustible para que sea viable. Algunos tipos de reactores (CANDU) usan agua pesada como refrigerante moderador. El agua pesada es más eficiente para desacelerar los neutrones que el agua ordinaria y, por lo tanto, permite el uso de uranio natural.

Ahora, ¿por qué molestarse en desacelerar los neutrones si puede tener un segundo tipo de reactor, los “reactores rápidos”? Estos reactores no usan el U-235 como combustible, pero usan el flujo de neutrones para transformar el U-238 en Plutonio-239 (Pu-239), y luego usan el Pu-239 como combustible (se obtiene un “gráfico” similar para torio / U-233 ciclos). Bueno, al igual que el U-235, es más probable que el Pu-239 sea fisionado por neutrones térmicos. Esto significa que para poner en marcha su reactor, tener suficientes neutrones para transformar suficiente U-238 en combustible fisionable y suficiente combustible fisionable para mantener una reacción en cadena, necesita un combustible enriquecido muy alto (20% de combustible fisionable en lugar de 5 %). Eso es muy caro De acuerdo, eso sería teóricamente solo el primer ciclo, después de eso, puede modelar un reactor para que genere el combustible necesario para comenzar una nueva campaña cuando se mezcla con U-238 nuevo. Pero un problema mayor es el de la proliferación. Tener un reactor con 20% de Pu-239 sería difícil de vender con respecto al tratado de proliferación.

Además, los neutrones más energéticos (más rápidos) son más dañinos para la estructura metálica del reactor, y eso limita la vida útil de la planta.

Esos temas están siendo investigados activamente y muestran grandes promesas. ¡Entonces, con suerte no tendremos que frenar los neutrones mucho en el futuro! Tenga en cuenta que el combustible hoy es el 0.7% de uranio-235. El combustible de mañana podría ser (generado por) el 99.3% de uranio-238. Esto significa que tendríamos suficiente combustible para miles de años.

Esto no es cierto para todos los casos. En el caso de un reactor térmico, la energía de los neutrones (energía cinética) disminuye a través del moderador. Como resultado, los neutrones se termalizan y aumenta la sección transversal de absorción efectiva de los neutrones.

Además, los neutrones térmicos se encuentran en la región 1 / v y la sección transversal se comporta de acuerdo con la Ley 1 / v. En esta región, la sección transversal de absorción aumenta a medida que disminuye la velocidad (energía cinética) del neutrón. Por lo tanto, la Ley 1 / v se puede usar para determinar el cambio en la sección transversal de absorción, si el neutrón está en equilibrio con un medio circundante. Este fenómeno se debe al hecho de que la fuerza nuclear entre el núcleo objetivo y el neutrón tiene más tiempo para interactuar.

Debido a que la sección transversal de la fisión (probabilidad) para U235 es mucho mayor para un neutrón térmico (lento) que para un neutrón rápido.

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