4.1 FIZIKA NEK-a - Usporavanje (moderacija) neutrona  

Energije fisijskih neutrona slijede zakon raspodjele prikazan na grafikonu. Srednja energija fisijskih neutrona iznosi 1,94 MeV, a najveći broj neutrona ima energiju 0,645 MeV (ekstrem funkcije). Kako je već prije rečeno, vjerojatnost induciranja fisije na atomu U235 s brzim neutronom je izuzetno mala, oko 440 puta manja nego u slučaju sporog neutrona. Pod pojmom spori neutron (termički neutron), podrazumijeva se neutron brzine oko 2200 m/s, odnosno energije oko 0,025 eV. Dva su procesa primarna pri usporavanju (moderaciji) fisijskih neutrona. Fisijski neutroni prvo gube dio svoje energije neelestičnim sudarima s jezgrama U238, pri čemu U238 prelazi u pobuđeno stanje i emitira g zraku. Kada energija neutrona padne ispod 1 MeV dominantni mehanizam usporavanja postaje elastični sudar u kojem neutron predaje dio svoje energije jezgri s kojom se sudario. Pojednostavljeno se može reći da je gubitak energije neutrona obrnuto proporcionalan s masom jezgre s kojm se neutron sudario. U sudaru s jezgrom U238 neutron izgubi vrlo malo od svoje početne energije i potreban je velik broj sudara da bi mu se energija smanjila na termički nivo. U slučaju sudara s jezgrom vodika, neutron može izgubiti i cijelu svoju energiju. Prosječan broj sudara potreban fisijskom neutronu da bi mu energija pala na termički nivo je 18,2 u slučaju sudara s vodikom, odnosno 2129 u slučaju sudara s uranom.

Ovisnost usporavanja o masi jezgre moderatora M, odnosno o masenom broju A moderatora vidi se iz omjera energija neutrona poslije i prije centralnog elestičnog sraza s jezgrom moderatora u kojem se neutron odbija od jezgre pod kutem od 180°. Ako te energije označimo s E i E0 onda je traženi omjer: I u necentralnom sudaru će gubitak energije neutrona biti to veći što je manja jezgra s kojom se neutron sudara. Kako je gubitak energije neutrona u centralnom elestičnom sudaru veći od gubitka u slučaju necentralnog sudara uvodimo pojam prosječnog smanjenja energije neutrona za niz uzastopnih sudara: Da bismo mogli uspoređivati moderatore definiramo N kao broj sudara neutrona s jezgrama moderatora potrebnih za smanjenje energije neutrona s 2 MeV-a na 0,025 eV (termički nivo). Moderator Maseni broj (A) Broj sudara do termalizacije neutrona (N) Vodik 1 18 Deuterij 2 25 Litij 7 67 Berilij 9 87 Ugljik 12 114 Kisik 16 150 Uran 238 2160

ZADATAK 2 Primjenom zakonu o sačuvanju energije i zakona o očuvanju količine gibanja odredite izraz za energiju odbijenog neutrona u slučaju centralnog elastičnog sudara prikazanog na slici. Pretpostavite da je energija upadnog neutrona 1,94 MeV (srednja energija fisijskih neutrona). Dokažite da vrijedi gore navedeni izraz u slučaju da se neutron odbije pod kutem od 180°. Rješenje!

Osim što je kvalitetan moderator, vodik ima i veliku sposobnost apsorpcije termičkih neutrona. Stoga se kao gorivo za reaktore koji upotrebljavaju vodik, odnosno vodu kao moderator, mora koristiti obogaćeni uran. Izotopni sastav prirodnog urana je: 0,0057% U234, 0,72% U235 i 99,27% U238. Obogaćeni uran koji se kao gorivo koristi u Nuklearnoj elektrani Krško ima do maksimalno 5% U235.

webmaster