El moderador de neutrones es un componente que forma parte de los reactores nucleares. La función del moderador es la de reducir la velocidad de los neutrones en las reacciones de fisión nuclear.
Durante las reacciones nucleares de fisión, los neutrones chocan con los átomos fisibles de uranio provocando nuevas reacciones. Con cada reacción de fisión se liberan uno o dos neutrones a gran velocidad que pueden chocar contra otros átomos y generar una reacción nuclear en cadena.
Para poder sacar provecho de la energía nuclear del átomo, el objetivo es mantener una reacción nuclear en cadena dentro del reactor nuclear. Si los neutrones se mueven demasiado rápido en el núcleo del reactor se reduce la posibilidad que choquen contra otro átomo.
El objetivo del moderador es reducir esta velocidad y, de esta forma, obtener un mejor rendimiento del reactor.
Los neutrones rápidos liberados después de una reacción de fisión se mueven aproximadamente a un 10% de la velocidad de la luz. Para el buen funcionamiento del reactor, su velocidad debe reducirse a unos pocos kilómetros por segundo. Esta velocidad pasa a ser equivalente a las temperaturas en los pocos cientos de grados Celsius.
¿Qué hace el moderador de neutrones dentro del reactor?
Los neutrones, debido a su velocidad, tienen una gran energía cinética. Si un neutrón choca contra un átomo del material que se usa como moderador, parte de su energía cinética se transfiere al átomo del moderador. Los neutrones, al perder energía cinética, pierden velocidad.
Los elementos químicos de la tabla periódica adecuados para realizar la función de moderador son los que poseen una masa atómica baja para maximizar la energía transferida en cada choque. Generalmente se trata de hidrógeno, deuterio (presente en el agua pesada) o carbono .
Es importante que el moderador no absorba los neutrones ya que solo queremos reducir la velocidad. Para evitarlo es importante que los materiales moderadores tengan una sección eficaz de captura baja.
En cierto momento sí que es necesario poder capturar los neutrones para controlar la reacción en cadena. Para ello se utilizan las barras de control.
¿Cómo se genera una reacción de fisión?
En un reactor de neutrones térmicos, el núcleo atómico de un elemento combustible pesado como el uranio 235 (U-235) absorbe un neutrón libre de movimiento lento. Con el nuevo neutrón, el átomo se vuelve inestable y se rompe.
¿Cuál es el resultado de una reacción de fisión nuclear?
En el proceso de fisión, la reacción nuclear produce:
Dos productos de fisión
Dos o tres neutrones libres que se mueven rápidamente
Una cantidad de energía que se manifiesta principalmente en la energía cinética de los productos de fisión.
¿Por qué los reactores nucleares necesitan un moderador de neutrones?
Los reactores nucleares térmicos necesitan un moderador para reducir la velocidad de los neutrones por qué la probabilidad que un neutrón impacte contra un átomo de uranio-235 disminuye al aumentar la velocidad de los neutrones.
Esto explica por qué la mayoría de los reactores atómicos alimentados con uranio-35 necesitan un moderador para mantener una reacción en cadena y por qué la eliminación de un moderador puede apagar un reactor.
¿Qué es la sección transversal de la fisión?
La probabilidad de nuevos eventos de fisión está determinada por la sección transversal de la fisión. La sección transversal de fisión, es una función de la energía (llamada función de excitación) del neutrón que colisiona con un núcleo de uranio-235. Esta sección depende de la velocidad de los neutrones incidentes.
Diferencias entre los diferentes tipos de reactores nucleares
En todos los reactores moderados, algunos neutrones de todos los niveles de energía producirán fisión, incluidos los neutrones rápidos.
Algunos reactores son más térmicos que otros. Por ejemplo, en un reactor CANDU casi todas las reacciones de fisión son producidas por neutrones térmicos. Por otro lado, en un reactor de agua a presión (PWR), una parte considerable de las fisiones son producidas por neutrones de mayor energía.
En el reactor de agua supercrítica (SCWR), la proporción de fisiones rápidas puede exceder el 50%, lo que técnicamente es un reactor de neutrones rápido.
Reactores nucleares rápidos
Un reactor rápido no utiliza ningún moderador, pero se basa en la fisión producida por neutrones rápidos no moderados.
En algunos diseños, hasta el 20% de las fisiones pueden provenir de la fisión directa con neutrones rápidos del uranio-238, un isótopo que no es fisionable con los neutrones térmicos.
