Какие вещества применяются в ядерных реакциях в качестве замедлителей нейтронов и почему?

В качестве замедлителей нейтронов в ядерных реакторах применяют вещества, которые эффективно уменьшают скорость быстрых нейтронов, почти не поглощая их. Это нужно потому, что для многих делящихся ядер, например урана-235 или плутония-239, медленные, или тепловые, нейтроны гораздо эффективнее вызывают деление, чем быстрые.

Основные вещества-замедлители:

1. Обычная вода, H₂O

Это самый распространённый замедлитель. В воде есть атомы водорода, ядро которого — протон — имеет массу почти такую же, как нейтрон. Поэтому при столкновении нейтрон хорошо теряет энергию, примерно как бильярдный шар при ударе о шар такой же массы.

Плюсы воды:

она хорошо замедляет нейтроны;

доступна и дешева;

одновременно может служить теплоносителем, то есть отводить тепло из активной зоны реактора.

Минус обычной воды в том, что водород заметно поглощает нейтроны. Поэтому реакторы на обычной воде обычно требуют обогащённого урана.

2. Тяжёлая вода, D₂O

Тяжёлая вода содержит дейтерий — тяжёлый изотоп водорода. Она тоже хорошо замедляет нейтроны, но главное её преимущество в том, что дейтерий гораздо слабее поглощает нейтроны, чем обычный водород.

Благодаря этому тяжёлая вода позволяет использовать даже природный уран, без сильного обогащения. Такие реакторы существуют, например, в тяжеловодных энергетических установках.

Недостаток — тяжёлая вода дорогая и сложнее в производстве.

3. Графит, то есть углерод

Графит тоже используется как замедлитель. Ядра углерода тяжелее нейтрона, поэтому за одно столкновение нейтрон теряет меньше энергии, чем при столкновении с водородом. Но зато углерод слабо поглощает нейтроны, поэтому при большом числе столкновений графит хорошо выполняет роль замедлителя.

Графит применялся и применяется в некоторых типах реакторов. Важно, чтобы графит был очень чистым: примеси, особенно бор, сильно поглощают нейтроны и ухудшают работу реактора.

4. Бериллий и оксид бериллия

Бериллий и его оксид BeO также могут использоваться как замедлители и отражатели нейтронов. Они имеют сравнительно лёгкие ядра и малое поглощение нейтронов.

Но бериллий дорогой, токсичный при обработке и технологически сложный материал, поэтому его применяют не так широко, как воду, тяжёлую воду или графит.

5. Некоторые органические вещества

В отдельных специальных реакторных схемах могут использоваться углеводородные вещества, например органические жидкости. Они содержат много водорода, поэтому способны замедлять нейтроны. Но при сильном облучении и высоких температурах такие вещества разлагаются, поэтому их применение ограничено.

Главные требования к хорошему замедлителю такие:

ядра вещества должны быть достаточно лёгкими, чтобы нейтрон при столкновении терял значительную часть энергии;

вещество должно иметь малое сечение поглощения нейтронов, чтобы нейтроны не исчезали, а продолжали участвовать в цепной реакции;

материал должен быть устойчивым к радиации и высокой температуре;

желательно, чтобы он был доступным, безопасным и технологически удобным.

Физическая причина замедления проста: быстрый нейтрон сталкивается с ядрами вещества и передаёт им часть своей кинетической энергии. Чем ближе масса ядра к массе нейтрона, тем эффективнее происходит передача энергии. Поэтому водород замедляет особенно хорошо. Но если вещество при этом сильно поглощает нейтроны, оно хуже подходит для реактора. Поэтому на практике выбирают компромисс между эффективным замедлением и малым поглощением.

Именно поэтому основными замедлителями являются обычная вода, тяжёлая вода и графит, а в специальных случаях — бериллий, оксид бериллия и некоторые водородсодержащие вещества.