Moderación de Neutrones Rápidos
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Los neutrones emitidos en las reacciones de fisión nuclear, tienen altas energías, típicamente en el rango de 1 MeV. Sin embargo, la sección transversal de captura de neutrones que conducen a la fisión, es mayor en los neutrones de energía alrededor de 1 eV, un millón de veces menor. Los neutrones con energías de menos de un electron voltio, se denominan comúnmente "neutrones térmicos", ya que sus energías son similares a las que tienen las partículas, como resultado de su energía térmica a temperatura ambiente. |
Para la eficiente operación de un reactor nuclear, es necesario frenar los neutrones en un proceso llamado moderación. Mientras que los neutrones son eficientemente frenado por la dispersión inelástica del isótopo de uranio no fisible, el U-238, cuando sus energías son superiores a 1 MeV, el resto del proceso de ralentización debe ser realizado por dispersión elástica de otros núcleos. Cuando un neutrón choca elásticamente con otro núcleo en reposo en el medio, le transfiere parte de su energía. La máxima transferencia de energía se produce cuando el núcleo objetivo, es comparable en masa al proyectil. El agua y el carbono (grafito) se utilizan comúnmente como moderadores. El agua es un buen moderador, pero los hidrógenos en la molécula del agua, tienen una sección transversal bastante alta para la captura de neutrones, eliminando neutrones del proceso de fisión. El agua pesada, que se utiliza como moderador en los reactores canadienses, evita esta pérdida.
Conceptualmente, la eficacia del agua como moderador, se puede comparar con lo que sucede en una mesa de billar, cuando la bola blanca golpea frontalmente otra bola de la mesa. El choque elástico frontal con una bola objetivo de igual masa en reposo, detiene la bola blanca y envía la bola objetivo hacia delante, con la velocidad original de la bola blanca. Los átomos de hidrógeno en el agua desempeñan el papel de la bola objetivo, y son efectivos en disminuir drásticamente los neutrones rápidos, incluso aunque el choque no sea frontal.
Otra imagen conceptual que puede ayudar a comprender la necesidad de la moderación, es la naturaleza de un corto "putt" en el "green" de un campo de golf. Los experimentos originales en el laboratorio de Otto Hahn en Alemania, intentaban sin éxito obtener uranio para absorber neutrones, mediante el bombardeo con neutrones rápidos -el 235U tiene sólo una probabilidad muy pequeña de absorción de neutrones rápidos-. Pero tiene una alta probabilidad de absorber los lentos. Si la pelota de golf está a unos pocos centímetros del hoyo, no será buena estrategia golpear la bola fuertemente y que se pase de largo del hoyo. Pero un suave golpe con el "putter" tiene una alta probabilidad de éxito. La moderación para frenar los neutrones por colisiones con núcleos de masa similar, aumenta radicalmente la probabilidad de captura de neutrones que conducen a la fisión.
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