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Moderador Nuclear
Sex Set 27, 2019 10:42 pm
Moderador Nuclear
Os neutrões estão normalmente ligados num núcleo atómico, e não permanecem livre durante muito tempo na natureza, já que o neutrão livre tem meia-vida de menos de 15 minutos. Os neutrões, para serem livres, deverão ser libertados do núcleo e, para isso, é necessário superar a energia de ligação nuclear, que varia tipicamente entre os 7 e 9 MeV para a maioria dos isótopos. As fontes de neutrões geram neutrões livres por uma série de reacções nucleares, incluindo a fissão e a fusão nucleares. Qualquer que seja a fonte de neutrões, estes são libertados com energias de vários MeV.
Sendo a energia cinética, {\displaystyle E} E, relacionada com a temperatura pela equação
{\displaystyle E={\frac {1}{2}}mv^{2}={\frac {3}{2}}k_{B}T} {\displaystyle E={\frac {1}{2}}mv^{2}={\frac {3}{2}}k_{B}T},
a temperatura neutrónica característica de um neutrão livre (com energias de alguns MeV) é de várias dezenas de milhões de graus Celsius.
Moderação é o processo de redução da elevada energia cinética inicial do neutrão livre. Como a energia se conserva, esta redução de energia cinética do neutrão dá-se mediante a transferência dessa energia para um material conhecido como moderador. O processo é também conhecido como abrandamento do neutrão, já que uma redução da energia implica uma redução na velocidade.
A probabilidade de dispersão de um neutrão por um núcleo é dada pela secção eficaz nuclear. As primeiras duas colisões com o moderador podem ter energias suficientemente altas para excitar os núcleos do moderador. Tais colisões são inelásticas, já que alguma da energia cinética é transformada em energia potencial por excitação de alguns graus de liberdade internos do núcleo, formando um estado excitado. À medida que a energia do neutrão é diminuida, as colisões tornam-se predominantemente elásticas, i.e., a energia cinética total e o momento do sistema (formado pelo neutrão e pelo núcleo) são conservados.
Dado que os neutrões têm muito menor massa em comparação com a maior parte dos núcleos atómicos, o meio mais eficiente de lhes remover energia cinética é pela escolha de um núcleo moderador que tenha massa aproximadamente igual.
Escolha de materiais moderadores
Alguns núcleos têm maiores secção eficaz de absorção do que outros, o que remove neutrões livre do fluxo. Consequentemente, um critério suplementar para um moderador eficiente consiste na escolha de um material para o qual este parâmetro seja reduzido. A eficiência moderadora dá a razão entre as secções eficazes de dispersão ( {\displaystyle \Sigma _{s}} {\displaystyle \Sigma _{s}}) pesadas por {\displaystyle \xi } \xi, e as secções eficazes de absorção {\displaystyle \Sigma _{a}} {\displaystyle \Sigma _{a}}, ou seja: {\displaystyle {\frac {\xi \Sigma _{s}}{\Sigma _{a}}}} {\displaystyle {\frac {\xi \Sigma _{s}}{\Sigma _{a}}}}.[2] Para um composto moderador constituido por mais do que um elemento, como por exemplo água leve ou pesada, é necessário levar em conta os efeitos moderador a absorvedor do isótopo de hidrogénio e do átomo de oxigénio no cálculo de {\displaystyle \xi } \xi. Para trazer um neutrão de uma energia de fissão {\displaystyle E_{0}=2} {\displaystyle E_{0}=2} MeV para {\displaystyle E=1} {\displaystyle E=1} eV requer um {\displaystyle n} n esperado de 16 e 29 colisões para H2O e D2O, respectivamente. Assim, os neutrões são mais rapidamente moderados por água leve, já que o hidrogénio têm {\displaystyle \Sigma _{s}} {\displaystyle \Sigma _{s}} francamente superior. No entanto, têm também um {\displaystyle \Sigma _{a}} {\displaystyle \Sigma _{a}} superior, pelo que a eficiência moderadora é cerca de 80 vezes maior para água pesada do que para água leve.[2]
O moderador ideal tem massa reduzida, elevada secção eficaz de dispersão, e baixa secção eficaz de absorção.
Distribuição de velocidades neutrónicas após a moderação
Após um número suficiente de impactos, a velocidade do neutrão será comparável à velocidade dos núcleos dada por movimento térmico; este neutrão será então denominado neutrão térmico, e o processo pode ser também denominado de termalização.[4] Para um sistema de esferas rígidas com dispersão elástica, em equilíbrio a uma determinada temperatura, a distribuição de velocidades (energias) esperadas é dada pela distribuição de Maxwell-Boltzmann. Tal modelo matemático deve sofrer ligeiras modificações quando aplicado a um moderador real devido à dependência da velocidade (energia) que a secção eficaz de absorção da maior parte dos materiais apresenta, pelo que neutrões de baixa velocidade são preferencialmente absorvidos[3][5] e, assim, a verdadeira distribuição de velocidades dos neutrões no núcleo do reactor poderá ser ligeiramente superior ao previsto pela teoria
Os neutrões estão normalmente ligados num núcleo atómico, e não permanecem livre durante muito tempo na natureza, já que o neutrão livre tem meia-vida de menos de 15 minutos. Os neutrões, para serem livres, deverão ser libertados do núcleo e, para isso, é necessário superar a energia de ligação nuclear, que varia tipicamente entre os 7 e 9 MeV para a maioria dos isótopos. As fontes de neutrões geram neutrões livres por uma série de reacções nucleares, incluindo a fissão e a fusão nucleares. Qualquer que seja a fonte de neutrões, estes são libertados com energias de vários MeV.
Sendo a energia cinética, {\displaystyle E} E, relacionada com a temperatura pela equação
{\displaystyle E={\frac {1}{2}}mv^{2}={\frac {3}{2}}k_{B}T} {\displaystyle E={\frac {1}{2}}mv^{2}={\frac {3}{2}}k_{B}T},
a temperatura neutrónica característica de um neutrão livre (com energias de alguns MeV) é de várias dezenas de milhões de graus Celsius.
Moderação é o processo de redução da elevada energia cinética inicial do neutrão livre. Como a energia se conserva, esta redução de energia cinética do neutrão dá-se mediante a transferência dessa energia para um material conhecido como moderador. O processo é também conhecido como abrandamento do neutrão, já que uma redução da energia implica uma redução na velocidade.
A probabilidade de dispersão de um neutrão por um núcleo é dada pela secção eficaz nuclear. As primeiras duas colisões com o moderador podem ter energias suficientemente altas para excitar os núcleos do moderador. Tais colisões são inelásticas, já que alguma da energia cinética é transformada em energia potencial por excitação de alguns graus de liberdade internos do núcleo, formando um estado excitado. À medida que a energia do neutrão é diminuida, as colisões tornam-se predominantemente elásticas, i.e., a energia cinética total e o momento do sistema (formado pelo neutrão e pelo núcleo) são conservados.
Dado que os neutrões têm muito menor massa em comparação com a maior parte dos núcleos atómicos, o meio mais eficiente de lhes remover energia cinética é pela escolha de um núcleo moderador que tenha massa aproximadamente igual.
Escolha de materiais moderadores
Alguns núcleos têm maiores secção eficaz de absorção do que outros, o que remove neutrões livre do fluxo. Consequentemente, um critério suplementar para um moderador eficiente consiste na escolha de um material para o qual este parâmetro seja reduzido. A eficiência moderadora dá a razão entre as secções eficazes de dispersão ( {\displaystyle \Sigma _{s}} {\displaystyle \Sigma _{s}}) pesadas por {\displaystyle \xi } \xi, e as secções eficazes de absorção {\displaystyle \Sigma _{a}} {\displaystyle \Sigma _{a}}, ou seja: {\displaystyle {\frac {\xi \Sigma _{s}}{\Sigma _{a}}}} {\displaystyle {\frac {\xi \Sigma _{s}}{\Sigma _{a}}}}.[2] Para um composto moderador constituido por mais do que um elemento, como por exemplo água leve ou pesada, é necessário levar em conta os efeitos moderador a absorvedor do isótopo de hidrogénio e do átomo de oxigénio no cálculo de {\displaystyle \xi } \xi. Para trazer um neutrão de uma energia de fissão {\displaystyle E_{0}=2} {\displaystyle E_{0}=2} MeV para {\displaystyle E=1} {\displaystyle E=1} eV requer um {\displaystyle n} n esperado de 16 e 29 colisões para H2O e D2O, respectivamente. Assim, os neutrões são mais rapidamente moderados por água leve, já que o hidrogénio têm {\displaystyle \Sigma _{s}} {\displaystyle \Sigma _{s}} francamente superior. No entanto, têm também um {\displaystyle \Sigma _{a}} {\displaystyle \Sigma _{a}} superior, pelo que a eficiência moderadora é cerca de 80 vezes maior para água pesada do que para água leve.[2]
O moderador ideal tem massa reduzida, elevada secção eficaz de dispersão, e baixa secção eficaz de absorção.
Distribuição de velocidades neutrónicas após a moderação
Após um número suficiente de impactos, a velocidade do neutrão será comparável à velocidade dos núcleos dada por movimento térmico; este neutrão será então denominado neutrão térmico, e o processo pode ser também denominado de termalização.[4] Para um sistema de esferas rígidas com dispersão elástica, em equilíbrio a uma determinada temperatura, a distribuição de velocidades (energias) esperadas é dada pela distribuição de Maxwell-Boltzmann. Tal modelo matemático deve sofrer ligeiras modificações quando aplicado a um moderador real devido à dependência da velocidade (energia) que a secção eficaz de absorção da maior parte dos materiais apresenta, pelo que neutrões de baixa velocidade são preferencialmente absorvidos[3][5] e, assim, a verdadeira distribuição de velocidades dos neutrões no núcleo do reactor poderá ser ligeiramente superior ao previsto pela teoria
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