El Agua como Moderador

Los neutrones de la fisión tienen velocidades muy altas, y es preciso disminuirlas en gran medida, por la "moderación" del agua, para mantener la reacción en cadena.

El uranio-235 se enriquece del 2,5 - 3,5%, para permitir que el agua ordinaria sea el moderador.

La pérdida del agua de refrigeración mata la reacción en cadena, ya que la configuración de combustible no es "crítica" sin la moderación del agua. Incluso con el moderador, el combustible no es "crítico" sin la inclusión de los neutrones "retardados", que podrían estar emitiéndose varios minutos después de la fisión.

El Agua como Moderador

El moderador de agua es necesario en los reactores de fisión de uranio. La pérdida del agua de refrigeración mata la reacción en cadena, ya que la configuración de combustible no es "crítica" sin la moderación del agua.

Si se proporcionan la moderación y la densidad de combustible adecuadas, ocurren suficientes eventos de fisión espontánea, para iniciar una reacción en cadena.

Incluso con el moderador, el combustible no es "crítico" sin la inclusión de los neutrones "retardados", que podrían emitirse varios minutos después de la fisión. Estos neutrones provienen de los fragmentos radiactivos de fisiones anteriores.

Moderación de Neutrones Rápidos

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.

Masa Crítica

Para que una reacción en cadena de fisión nuclear, tal como el del uranio-235, pueda sostenerse, se necesita que al menos uno de los neutrones en cada fisión, golpee a otro núcleo de U-235 y origine una fisión. Si se da esta condición, entonces, la reacción se dice que es "crítica", y continuará produciéndose. La masa de material fisible necesario para alcanzar esta condición crítica, se dice que es la masa crítica. La masa crítica depende de la concentración de núcleos de U-235 en el material combustible, así como su geometría. Tal como se aplica en la generación de energía eléctrica en los reactores nucleares, también depende de la moderación utilizada para frenar los neutrones. En tales reactores, la condición crítica también depende de los neutrones de los fragmentos de fisión, llamados neutrones retardados. En las aplicaciones de armas nucleares, la concentración de U-235 debe ser mucho mayor, para crear una condición llamada "criticidad del sistema". Esto significa que es crítico con sólo los neutrones producidos directamente en el proceso de fisión. Para el U-235 enriquecido al "grado de bomba" de uranio, la masa crítica puede ser tan pequeña como unos 15 kg en una configuración de bomba.

Neutrones Retardados de la Fisión

Uno de los factores de seguridad incorporados en los reactores nucleares que se utilizan para la generación de electricidad, es que son solamente crítico cuando se incluyen los neutrones retardados que son emitidos por algunos de los fragmentos de fisión. Algunos de estos fragmentos emiten neutrones como parte de su desintegración radiactiva, y estos neutrones pueden contribuir a la fisión de cualquier núcleo de U-235 que golpeen. Un reactor de energía nuclear controla la reacción de fisión en cadena, mediante la moderación de los neutrones, y con el uso de barras de control que pueden ser insertadas en el núcleo del reactor, para absorber neutrones y ralentizar la reacción. Estas barras de control pueden ser ajustadas, de modo que la reacción permanezca crítica sólo con la inclusión de los neutrones retardados. Alrededor del 0,65% de los neutrones, son retardados en un promedio de 14 segundos, dando un aumento significativo en el tiempo de generación, y el tiempo de reacción para una emergencia de tal reactor de energía nuclear.

Por supuesto, en una aplicación de arma nuclear, estos neutrones retardados no son significativas, por lo que el uranio para las armas es enriquecido a más del 90% de U-235.