Innen kjernekraft er en
nøytronmoderator
et medium som reduserer hastigheten pa raske
nøytroner
, og gjør dem dermed til
termiske
nøytroner, i stand til a opprettholde en
kjernefysisk kjedereaksjon
med
Uran-235
.
Vanlige moderatorer inkluderer vann (lettvann) (ca. 75% av verdens reaktorer), solid
grafitt
(20% av reaktorer) og tungtvann (5% av reaktorer).
[1]
Beryllium
har ogsa blitt brukt i enkelte eksperimentelle typer, og
hydrokarboner
er blitt foreslatt som en annen mulighet.
Nøytroner er vanligvis bundet til en kjerne og eksisterer ikke lenge fritt i naturen, siden ubundet nøytron har en
halveringstid
pa i underkant av 15 minutter. Frie nøytroner ma løslates fra kjernen. For a gjøre dette er det nødvendig a overvinne den bindende energien til kjernen, som er typisk 7-9
MeV
for de fleste
isotoper
. Nøytronkilder genererer frie nøytroner fra en rekke kjernefysiske reaksjoner, herunder
fisjon
og
kjernefysisk fusjon
. Uansett kilde til nøytroner, blir de sluppet med energier pa flere MeV.
Siden den
kinetiske energien
, E, kan relateres til
temperatur
via:
er den karakteristiske
nøytrontemperaturen
av et nøytron med flere MeV pa flere millioner grader
celsius
.
Moderasjon er prosessen med reduksjon av den opprinnelige høye kinetiske energien til det frie nøytron. Siden energi er konservert, foregar denne reduksjonen av nøytronets kinetiske energi ved overføring av energi til et materiale, kalt en moderator. Det er ogsa kjent som
nøytronbremser
, siden hastigheten blir redusert samtidig som energien blir redusert.
Sannsynligheten for spredning av et nøytron fra en kjerne er gitt ved spredning tverrsnitt. De første par kollisjonene med en moderator kan være av tilstrekkelig høy energi for a ≪hisse opp≫ moderatorens kjerne. En slik kollisjon er uelastisk, siden noe av den kinetiske energien omformes til
potensiell energi
ved a ≪hisse opp≫ en del av den interne
frihetsgrader
av kjernen til a danne en opphisset tilstand. Ettersom energien til nøytronet er senket, blir kollisjonene overveiende elastisk, dvs. den totale kinetiske energien og fremdrift av systemet (som av nøytronet og kjernen) er bevart.
Gitt
matematikk av elastiske kollisjoner
, som nøytroner er svært lett sammenlignet med de fleste
atomkjerner
, den mest effektive maten a fjerne kinetisk energi fra nøytron er ved a velge en modererende kjerne som har nær identisk masse.
En kollisjon med et nøytron, som har masse av 1, med en
1
H kjerne (et proton) kan resultere i at nøytron mister nesten all sin energi i en enkelt rett-frem kollisjon. Mer generelt er det nødvendig a ta hensyn til bade skotter og rett-frem kollisjoner. Den
gjennomsnittlige logaritmiske reduksjonen av energien til nøytronene per kollisjonen
, ξ, avhenger bare pa
atommassen
(A) av kjernen, og er gitt ved:
.
[2]
Dette kan være rimelig rundet av til vanlig form
.
[3]
Fra dette kan man utlede
, forventet antall kollisjoner av nøytronet med kjerner av en gitt type som er nødvendig for a redusere den kinetiske energien til et nøytron fra
til
.
[3]
Noen atomkjerner har større absorpsjonstverrsnitt enn andre, som fjerner frie nøytroner fra
fluks
. Derfor, et ytterligere kriterium for en effektiv moderator er en der denne parameteren er liten. Moderatorgruppens effektivitet gir forholdet mellom kjernetverrsnittet av spredning,
, vektet etter
delt pa det av absorpsjon,
: dvs
.
[2]
For en sammensatt moderator bestaende av mer enn ett element, for eksempel lett eller tungtvann, er det nødvendig a ta hensyn til den modererende og absorberende effekten for bade hydrogenisotopen og oksygenatomet for a beregne
. For a fa et nøytron fra fisjonsenergi
pa 2 MeV til en
pa 1 eV trengs det forventet
pa 16 og 29 kollisjoner for henholdsvis H
2
O and D
2
O.
Derfor er nøytroner raskere moderert av lettvann, som H har en langt høyere
. Men det har ogsa en langt høyere
, slik at modereringseffektiviteten er nesten 80 ganger høyere for tungtvann enn for lettvann.
[2]
Den ideelle moderator har liten
masse
, høyt spredningstverrsnitt og lavt absorpsjonstverrsnitt
.
Fordeling av nøytronhastigheter etter moderering
[
rediger
|
rediger kilde
]
Etter tilstrekkelig med kollisjoner, vil hastigheten pa nøytron kunne sammenlignes med hastigheten av kjerner gitt av termisk bevegelse; dette nøytronet kalles da et
termisk nøytron
, og prosessen kan ogsa kalles termalisering. Ved likevekt, og ved en gitt temperatur, er fordelingen av hastigheter (energier) forventet av stive kuler med elastisk spredning gitt av
Maxwell-Boltzmanns fordelingslov
. Dette er bare litt endret i en reell moderator pa grunn av hastighetens (energiens) avhengighet av absorpsjonstverrsnitt av de fleste materialer, slik at nøytroner med lav hastighet er fortrinnsvis absorberet,
[3]
[4]
slik at den sanne fordelingen av nøytronhastigheten i kjernen ville være litt varmere enn forutsett.