نوترون، کند کننده نوترون و اصول فیزیکی حاکم بر فرآیند کند سازی

کند کننده نوترون

در مهندسی هسته ای کندکننده نوترون محیطی است که سرعت نوترون های سریع را کاهش می دهد٬ در نتیجه آنها را به نروترون های گرمایی که قابل وارد شدن به واکنش زنجیره اورانیوم ۲۳۵ را دارند، تبدیل می کند. کند کننده های معمول شامل آب سبک(تقریبا ۷۵٪ درصد راکتورها)٬ گرافیت جامد(۲۰٪ راکتورها) و آب سنگین(۵٪ راکتورها) هستند. بریلیوم نیز در بعضی از راکتورهای آزمایشی استفاده می شود و هیدروکربن نیز به عنوان پیشنهادی دیگر معرفی شده است. نوترون ها معمولا به هسته اتم مقید هستند و بطور آزاد در زمان های طولانی در طبیعت وجود ندارند. نوترون غیرمقید نیم عمری در حدود ۱۵ دقیقه دارند. رها سازی نوترون ها از هسته به انرژی بیشتری از انرژی بستگی نوترون به هسته٬ (برای بیشتر ایزوتوپ ها نوعا حدود ۷-۹ MeV است) نیاز دارد. چشمه های نوترونی بوسیله انواع واکنش های هسته ای٬ شامل همجوشی و شکافت٬ نوترون های آزاد را تولید می کنند. هرچند چشمه های نوترونی، نوترون هایی با انرژی حدود MeV رها می کنند. از آنجایی که انرژی جنبشی٬E٬ میتونه با دما وابسته باشد با رابطه 

دمای مشخصه نوترون چند MeV حدود ۱۰ میلیون درجه سلسیوس است.

کند سازی 

کندسازی فرایند کاهش انرژی جنبشی زیاد اولیه نوترون های آزاد است. چون انرژی بقا دارد٬ این کاهش انرژی جنبشی نوترون با انتقال انرژی٬ به ماده ای که به عنوان کندساز شناخته می شود٬ انجام می گیرد. این ماده همچنین به عنوان کاهنده(سرعت)نوترون شناخته می شود٬ چون همزمان با کاهش انرژی کاهش سرعت نیز هست. احتمال پراکندگی نوترون از هسته بوسیله سطح مقطع پراکندگی داده می شود. اولین زوج برخوردی با کندساز شاید انرژی به اندازه کافی بالایی داشته باشد تا هسته کندساز را برانگیخته کند. چنین برخوردی ناکشان است٬ چون بخشی از انرژی جنبشی٬ بوسیله برانگیخته شدن بعضی از درجات آزادی داخلی برای تشکیل یک حالت برانگیخته٬ به انرژی پتانسیل تبدیل می شود. همانطور که انرژی نوترون پایین می آید٬ برخوردها عمدتا کشسان می شوند؛ انرژی و اندازه حرکت کل دستگاه (که مربوط به نوترون و هسته است) پایسته می ماند. از ریاضیات برخوردهای کشسان٬ نوترون با بیشتر هسته ها قابل مقایسه است٬

بهترین راه برای انتقال انرژی جنبشی از نوترون انتخاب کندکننده هایی است که هسته آنها جرم نزدیکی به جرم نوترون داشته باشد.

یک برخورد نوترون با جرم ٬۱ با هسته  پروتون) بالقوه همه انرژی نوترون را می تواند در یک برخورد شاخ به شاخ به پروتون انتقال بدهد.برای عمومیت بیشتر هم باید برخوردهای شاخ به شاخ و هم برخوردهای کلی دیگر لحاظ شوند. لگاریتم متوسط کاهش انرژس نوترون در هر برخورد٬ ξ فقط وابسته به جرم اتمی A هسته است و بوسیله رابطه زیر داده می شود

 

که میتواند با 

تقریب زده شود. از این می توان n ٬ تعداد برخوردهای انتظاری نوترون با یک هسته نوعی داده شده که انرژی جنبشی نوترون را از E_0 به 

کاهش می دهد٬ نتیجه گرفت. انتخاب مواد کندساز بعضی از هسته ها سطح مقطع جذبی بزرگتری نسبت به بقیه هسته ها دارند٬ که نوترون ها را از شار برمی دارند. پس یکی از معیارهای موثر کندساز این است که این پارامتر کوچک باشد. بازده کندسازی نسبت سطح مقطع میکروسکوپی پراکندگی

با تابع وزنی ξ تقسیم بر سطح مقطع میکروسکوپی جذبی 

است٬ یعنی
 

برای کندساز ترکیبی که بیش از یک عنصر دارد٬ مثلا آب سبک یا آب سنگین٬ باید اثرات جذب و کندسازی هر دو ایزتوپ اتم هیدروژن و اکسیژن برای ξ حساب شوند. برای آوردن نوترون از انرژی شکافت E_0=2MeV به E=1 eV به ترتیب باید n٬ تعداد برخوردها٬ ۱۶ و ۲۹ برای H_2 O و D_2 O باشد. بنابراین نوترون ها بوسیله آب سبک با سرعت بیشتری کند می شوند چونکه H سطح مقطع پراکندگی 

بسیار بزرگتری دارد. هرچند سطح مقطع جذب 

بیشتری نیز دارد ٬‌ بطوریکه بازده کندسازی تقریبا ۸۰ بار برای آب سبک از آب سنگین بیشتر است. کندسار ایده آل دارای جرم کم٬ سطح مقطع پراکندگی بالا٬ و سطح مقطع جذب کم است. توزیع سرعت های نوترون با یکبار کندسازی بعد از برخوردهای کافی سرعت نوترون با سرعت هسته داده شده بوسیله حرکت گرمایی قابل مقایسه خواهد بود: این نوترون ٬ نوترون گرمایی نامیده می شود٬ و این فرایند را با واژه گرمایی سازی می خوانند. در تعادل در دمای داده شده توزیع سرعت ها(انرژی ها) انتظاری پراکندگی کشسان کره های سخت بوسیله توزیع ماکسول-بولتزمن داده می شود. بخاطر سرعت(انرژی) وابسته به سطح مقطع جذب بیشتر مواد نیاز به اصلاح ناچیزی در کندساز واقعی دارد٬ پس نوترون های سرعت کم زودتر جذب می شوند٬ بطوری که توزیع سرعت نوترون در هسته کمی تیزتر از مقدار پیش بینی شده خواهد بود. کندسازهای راکتور در راکتور هسته ای گرمایی٬ هسته یک عنصر سوختی سنگین مثلا اورانیوم یک نوترون آزاد سرعت کم را جذب می کند٬ ناپایدار می شود٬ وبه دو اتم کوچکتر (پاره های شکافت) قسمت می شود(شکافته می شود). فرایند شکافت برای اورانیوم ۲۳۵ ٬ ۲ پاره شکافت می دهد٬ ۲ یا ۳ نوترون آزاد سریع٬ بعلاوه یک انرژی اولیه که به شکل انرژی جنبشی پاره های شکافت پس زده ظاهر می شود. نوترون های آزاد با انرژی جنبشی حدود ۲MeV پخش می شوند. چون بیشتر نوترون ها از یک رویداد شکافت اورنیوم آزاد می شوند که خود به نوترون های گرمایی برای شروع رویداد نیاز دارند٬ واکنش تحت شرایط کنترل شده می تواند خود ابقا- واکنش زنجیره ای- باشد٬ پس انرژی زیادی آزاد می شود. احتمال شکافت های بیشتر بوسیله سطح مقطع شکافت تعیین می شود٬ که وابسته به سرعت(انرژی) نوترون های تابشی است. در راکتورهای گرمایی نوترون های سرعت بالا در حدود MeV با احتمال خیلی کمتری موجب شکافت می شود. (برای نوترون های سریع غیر ممکن نیست که باعث شکافت بشوند٬ اما با احتمال کمتری). نوترون های سریع جدید آزاد شده٬ تقریبا با ۱۰٪ سرعت نور حرکت می کنند٬ باید کند شوند یا “تعدیل شوند”٬ نوعا از سرعت چندکیلومتر بر ثانیه٬ اگر آنها با احتمال بیشتری در نزدیکی هسته اورانیوم ۲۳۵ باعث شکافت شوند در نتیجه واکنش زنجیره ای ادامه پیدا می کند. این سرعت با دمای چندصد درجه سلسیوس هم ارز است. در راکتورهایی که کندساز دارند٬ بعضی از نوترون ها شامل نوترون های سریع٬ همه ترازهای انرژی آنها باعث شکافت خواهند شد. بعضی راکتورها بیشتر از بقیه گرمایی شده اند٬ برای مثال یک راکتور CANDU تقریبا همه واکنش های شکافت را با نوترون های گرمایی تولید می کند٬ در حالی که یک راکتور آب تحت فشار(PWR) سهم قابل توجهی از واکنش های خود را با نوترون های انرژی بالا تولید می کند. در راکتور پیشنهادی آب فوق بحرانی با خنک کننده آب(SCWR) سهم شکافت های سریع بیش از ۵۰٪ است٬ که این راکتور را از نظر فنی یک راکتور سریع می کند. راکتور سریع از کندکننده استفاده نمی کند٬ اما وابسته به شکافت تولید شده توسط نوترون های سریع غیر کندشده برای نگه داشتن واکنش زنجیره ای است. در بعضی از طراحی های راکتورهای سریع٬ تا بیش از ۲۰٪ شکافت ها می توانند مستقیما از شکافت نوترون سریع اورانیوم ۲۳۸ ٬ ایزوتوپی که با نوترون های گرمایی قابل شکافت نیست٬ ناشی شوند. کندسازها همچنین در چشمه های نوترونی غیرراکتوری مثل پلوتونیوم-بریلیوم و چشمه های پراشیدنی استفاده می شود. آلودگی های کندساز کندسازهای خوب ناخالصی های جاذب نوترون آزاد مثل بورن دارند. در نیروگاه های هسته ای تجاری کندسازها نوعا شامل بورن حل شده هستند. غلظت بورن خنک کننده راکتور بوسیله اپراتورها با با اضافه کردن اسید بوریک یا رقیق کردن با آب قدرت نیروگاه را بصورت دستی اداره کنند. برنامه هسته ای جنگ جهانی دوم آلمان یک مانع اجباری بوجود آورد زمانی که کندسازهای گرافیتی ارزان با شکست مواجه شدند. در آن زمان، بیشتر گرافیت ها روی الکترودهای بورن ته نشین می شدند، و گرافیت تجاری آلمان شامل بورن زیادی بود. چون برنامه زمان جنگ آلمان موفق به حل این مساله نشدند، آنها مجبور شدند از کندسازهای گران آب سنگین استفاده کنند. در آمریکا فیزیک دان و مهندس شیمی لیوزیلارد (Leó Szilárd)مساله را حل کرد. کندسازهای غیر گرافیتی بعضی از کندسازها خیلی گران هستند مثلا بریلیوم، و راکتور نوع آب سنگین. آب سنگین باید تا ۹۹٫۷۵% خالص باشد تا توانایی واکنش با اورانیوم طبیعی(عنی نشده) را داشته باشد. این کار مشکلی است چون آب سنگین و آب معمولی پیوندهای شیمیایی یکسانی دارند،تنها در سرعت های کمی متفاوت. کندساز ارزانتر آب سبک (آب معمولی خیلی خالص) خیلی از نوترون ها را جدب می کند برای اینکه با اورانیوم غنی نشده استفاده شوند، پس اورانیوم غنی شده یا فرآوری هسته ای برای بهره برداری چنین راکتورهایی لازم هستند. هم غنی سازی و هم فرآوری گران و هم از نظر فنی فرایندهای پالش برانگیزی هستند، و هم غنی سازی و هم چندنوع روش فرآوری می تواند برای ساخت مواد قابل استفاده سلاح های هسته ای استفاده می شوند. کندسازراکتورهای CANDU ایمنی را دو برابر می کنند. یک تانک کم دما،آب سنگین کم فشار نوترون ها را کند می کنند و هم چنین به عنوان سینک گرما در شرایط فقدان خنک کننده عمل می کند. از میله های سوخت جدا می شود که گرما تولید می کند. آب سنگین در کندسازی نوترون ها خیلی موثر است، بهمین واسطه مشخصه مهم و مشخص راکتورهای CANDU "اقتصاد نوترون" است.