¿El agua absorbe neutrones?

El agua se utiliza como material de protección en los reactores nucleares. ¿Cuál es su función como escudo? ¿Absorbe neutrones y hay una reacción entre el agua y los neutrones?

El agua frena los neutrones. Esto se denomina "moderación" y es importante en los reactores porque algunos materiales de fisión como el uranio 235 se dividen preferentemente por neutrones lentos (térmicos), pero después de que se produce la fisión, emiten varios neutrones rápidos. Entonces, si queremos construir un reactor con materiales de fisión de baja concentración, debemos hacer que el proceso de captura de neutrones sea eficiente. Esto se logra mediante materiales moderadores como el grafito (carbono) y el agua que reducen la velocidad de los neutrones rápidos para que sean fácilmente capturados por el material de fisión.
Conozco la función del agua como refrigerante y moderador.. Quiero saber sobre su blindaje
El agua pura no es un material de protección particularmente eficiente para los neutrones a menos que se use en grandes cantidades, pero se pueden agregar sales de elementos como el boro para que sea más útil. Creo que esto también es útil para el apagado rápido del reactor.
El hidrógeno es el mejor material para 'ralentizar' los rápidos (~2MeV) neutrones de fisión, principalmente debido a la excelente combinación de masas que conduce a la máxima transferencia de energía del neutrón al protón en una colisión. Por lo tanto, los neutrones que escapan de la piscina son generalmente más lentos y el boro tiene una gran sección transversal de captura para los neutrones lentos. En las instalaciones de producción de neutrones, tienden a usar materiales más parecidos a la parafina, con aún más hidrógeno por masa/volumen (además, ser sólido ayuda a moverlo según sea necesario).
La parafina y otras ceras eran populares en los primeros días, pero la posibilidad de derretirse significa que necesitan contención, lo que es un problema para algunas aplicaciones. (Ciertamente, a los chicos de seguridad de JLAB no les gustaban las ceras). Los plásticos tienen una fracción de hidrógeno similar pero no son tan densos, por lo que son una alternativa en algunas aplicaciones, especialmente porque el PVC incluye cloro o el poliuretano se puede dopar con boro. No tengo idea si alguien ha descubierto un plástico dopado con gadolinio estable todavía

Respuestas (4)

Los neutrones no ven agua, sino hidrógeno y oxígeno. Las secciones transversales relevantes para los neutrones "térmicos" son

σ dispersión σ captura (en graneros) hidrógeno 82 0.33 oxígeno 4.2 0.000 19
Así que puedes ver que el efecto principal del agua es que los neutrones se dispersen del hidrógeno. Este intercambio tenderá a llevar los neutrones al equilibrio térmico con el agua (momento en el que podemos referirnos a ellos como neutrones "térmicos", con energía cinética típica k T ≈ 25 metro mi V ).

Desde la perspectiva de los neutrones, el agua es un gas de átomos de hidrógeno con densidad numérica

norte = 1 gramo r a metro C metro 3 ⋅ 1 metro o yo mi H 2 O 18 gramo r a metro ⋅ 2 metro o yo mi H 1 metro o yo mi H 2 O = 0.11 metro o yo mi H C metro 3 .
El oxígeno es una corrección del 2% de la dispersión y completamente irrelevante para la captura. La probabilidad de recorrer una longitud de camino ℓ sin una interacción es Exp − norte σ ℓ , por lo que el camino libre medio entre las dispersiones de los neutrones en el agua es aproximadamente
ℓ dispersión = 1 norte σ dispersión ≈ 2 metro metro
y entre capturas es aproximadamente
ℓ captura = 1 norte σ captura ≈ 450 metro metro .
Esto sugiere que unos pocos decímetros de agua son bastante eficientes para moderar los neutrones rápidos a temperatura ambiente, pero se requieren unos pocos metros para convertir completamente los neutrones térmicos en rayos gamma debido a la captura en hidrógeno (energía 2 MeV). Unos pocos metros de agua son bastante eficientes para convertir los rayos gamma en calor.

El agua sirve para los reactores de agua en hasta 3 funciones: como moderador, como refrigerante y como blindaje.

El agua es un excelente escudo para la radiación alfa de los elementos transuránicos, como cualquier materia condensada, disminuyendo la radiación a la mitad en probablemente menos de 1 mm de espesor.

Es un escudo muy bueno para la radiación basada en electrones beta, principalmente de productos de fisión y desintegraciones de neutrones, con un espesor medio típicamente de aproximadamente 1-2 cm.

No es un buen escudo para la radiación gamma, la mitad de espesor de más de 20 cm.

Es un mal escudo para los neutrones en el sentido de una sección transversal de baja absorción, pero es un muy buen escudo, como toda la materia rica en hidrógeno, en el sentido de reducir la velocidad de los neutrones hasta el movimiento aleatorio de velocidad térmica. Los que no encuentran su destino de absorción en la fisión u otro material se descomponen en protones, electrones y e-antineutrino con un tiempo medio de unos 14 min.

Los productos de la absorción de neutrones del agua son deuterio para hidrógeno ligero, resp. tritio por deuterio (agua pesada o menor contenido de D en agua natural).

El 1H tiene un mejor efecto moderador de desaceleración que el deuterio, debido a una mejor combinación de masas de protones y neutrones. Pero desafortunadamente, el 1H tiene una sección transversal de absorción mucho mayor para los neutrones que el deuterio. Por lo tanto, se puede usar agua pesada para reactores que usan uranio natural no enriquecido; consulte PHWR y CANDU rector , pero los reactores de agua ligera necesitan usar uranio enriquecido.

El agua no es un escudo de radiación particularmente efectivo y, que yo sepa, no se usa como escudo en los reactores mismos.

Sin embargo, se utiliza como escudo en las piscinas donde se almacenan los desechos nucleares frescos. Se conocen como piscinas de combustible gastado y utilizan grandes espesores de agua (alrededor de 10 metros) para absorber la radiación emitida por el combustible.

¿Puede decirme qué reacciones tienen lugar en el proceso de absorción entre el agua y los neutrones?
@AmilaPasan: el agua no reacciona con los neutrones de manera significativa. Protege contra las partículas energéticas al dispersarlas de manera inelástica y contra los rayos gamma mediante la dispersión Compton.
bueno, los reactores experimentales tienen moderadores de agua en.wikipedia.org/wiki/Light-water_reactor . Uno podría ver la radiación de Cerenkov de las varillas.
@annav: eso es solo dispersión inelástica. No hay una reacción significativa entre los núcleos de las moléculas de agua y los neutrones.
bueno, si ves las secciones transversales para capturar por la respuesta de rob, las reacciones son con los núcleos

El agua actúa como refrigerante en los reactores nucleares. Se ejecuta a través de tuberías dentro y alrededor del reactor para absorber el inmenso calor generado.

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