中性子減速材 Neutron Moderator

一部の原子核は他の原子核よりも大きな吸収断面積を持ち、磁束から自由中性子を除去します。したがって、効率的なモデレータのさらなる基準は、このパラメータが小さいことです。緩和効率は、散乱巨視的断面の比率を示します。 シグマ s {\displaystyle \Sigma _{s}} 、で重み付けされます ξ {\displaystyle \xi } 吸収された量で割ると、 シグマ なれ {\displaystyle \Sigma _{a}} ： 要するに、 ξ シグマ s シグマ なれ {\displaystyle {\frac {\xi \Sigma _{s}}{\Sigma _{a}}}} 。軽水や重水など、複数の元素で構成される複合減速材の場合、水素同位体と酸素原子の両方の減速効果と吸収効果を計算で考慮する必要があります。 ξ {\displaystyle \xi } 。核分裂エネルギーから中性子を取り出すには、 E. 0 {\displaystyle E_{0}} 2MeVから E. {\displaystyle E} 期待値は 1 eV となります n {\displaystyle n} H2O と D2O ではそれぞれ 16 回と 29 回の衝突。したがって、H がはるかに高いため、中性子は軽水によってより迅速に減速されます。 シグマ s {\displaystyle \Sigma _{s}} 。ただし、それもはるかに高いです シグマ なれ {\displaystyle \Sigma _{a}} したがって、重水の減速効率は軽水の 80 倍近くになります。理想的な減速材は、質量が小さく、散乱断面積が大きく、吸収断面積が小さくなります。

十分な衝撃の後、中性子の速度は熱運動によって与えられる核速度に匹敵します。この中性子は熱中性子と呼ばれ、このプロセスは熱化とも呼ばれます。所定の温度で平衡に達すると、弾性散乱剛体球の予想される速度 (エネルギー) 分布はマクスウェル ボルツマン分布によって与えられます。これは、ほとんどの材料の吸収断面積の速度 (エネルギー) 依存性により、実際の減速材ではわずかに変更されるだけであり、遅い中性子が優先的に吸収されるため、真の中性子の速度分布はわずかに変化します。予想以上に暑い。

熱反応器では、ウランなどの重い燃料元素の原子核がゆっくりと移動する自由中性子を吸収して不安定になり、2 つの小さな原子 (「核分裂生成物」) に分裂 (「核分裂」) します。 235U 原子核の核分裂プロセスでは、主に 2 つの核分裂生成物、いくつかの高速移動自由中性子、および反動する核分裂生成物の運動エネルギーとして現れる大量のエネルギーが生成されます。自由中性子は、それぞれ約 2 MeV の運動エネルギーで放出されます。ウランの核分裂では、反応を開始するのに必要な熱中性子よりも多くの自由中性子が放出されるため、制御された条件下では反応は自立し（連鎖反応）、膨大な量のエネルギーが放出されます。 （核分裂に関する記事を参照）。 。 さらなる核分裂事象の確率は、入射中性子の速度 (エネルギー) に依存する核分裂断面積によって決まります。熱原子炉の場合、MeV 範囲の高エネルギー中性子がさらなる核分裂を引き起こす可能性は (不可能ではありませんが) はるかに低くなります。新たに放出された高速中性子は光速の約10%で移動し、隣接する235U原子核でさらなる核分裂を引き起こす可能性がある場合は、通常、秒速数キロメートルの速度まで減速または「減速」する必要があります。そして連鎖反応は続きます。この速度は、たまたま摂氏数百度の範囲の温度に相当します。 すべての減速炉では、高速中性子を含むあらゆるエネルギーレベルの中性子で核分裂が発生します。一部の反応器は他の反応器よりも完全に熱化されています。たとえば、CANDU 原子炉では、ほぼすべての核分裂反応が熱中性子によって生成されますが、加圧水型原子炉 (PWR) では、核分裂のかなりの部分が高エネルギー中性子によって生成されます。提案されている水冷超臨界水炉 (SCWR) では、高速核分裂率が 50% を超える可能性があり、技術的には高速中性子炉になります。 高速炉は減速材を使用せず、連鎖反応を維持するために減速されていない高速中性子によって生成される核分裂に依存します。一部の高速炉設計では、最大 20% の核分裂が、熱中性子による核分裂をまったく受けない同位体であるウラン 238 の直接高速中性子核分裂に起因する可能性があります。 減速材は、プルトニウム - ベリリウム (9Be(α,n)12C 反応を使用) や核破砕源 (中性子が豊富な重元素をターゲットとして使用する (p,xn) 反応を使用) などの非原子炉中性子源です。も使われます。

減速材の形状と位置は、原子炉のコストと安全性に大きな影響を与える可能性があります。減速材は伝統的に、熱を運ぶためのダクトが埋め込まれた高純度グラファイトの精密機械加工ブロックでした。それらは原子炉の最も高温の部分にあったため、腐食や磨耗の影響を受けやすかった。グラファイトなどの一部の材料では、中性子が減速材に衝突すると、危険な量のウィグナーエネルギーが減速材に蓄積する可能性があります。この問題は、1957 年に英国の原子炉施設ウィンドスケール パイルで悪名高きウィンドスケール火災を引き起こしました。二酸化炭素冷却黒鉛減速反応器では、冷却材と減速材が互いに接触しており、ブードゥアール反応は次のように発生します。考慮されます。これは、一部の TRIISO 燃料のように燃料要素に炭素の外層がある場合や、1 つ以上の外層が破損して内部の炭素層が露出している場合でも当てはまります。 一部のペブルベッド反応器の減速材は単純であるだけでなく、安価でもあります。核燃料は、およそテニスボールほどの大きさの原子炉グレードの熱分解炭素の球の中に埋め込まれている。ボール間の空間はダクトとして機能します。グラファイトが危険な量のウィグナーエネルギーを蓄積しないように、反応器はウィグナーアニーリング温度より高い温度で運転されます。 CANDU および PWR 原子炉では、減速材は液体の水 (CANDU では重水、PWR では軽水) です。 PWR が冷却材を失う事故が発生すると、減速材も失い、反応が停止します。この負の空隙率は、これらの原子炉の重要な安全機能です。 CANDU では、減速材は、加圧された重水冷却材チャネルを囲む別の重水回路内に配置されます。重水は中性子のかなりの部分を 238U の共鳴積分まで減速させ、CANDU 燃料中のウランの 99% 以上を占めるこの同位体の中性子の捕捉を増加させ、核分裂に利用できる中性子の量を減少させます。その結果、重水の一部を除去すると反応性が高まり、除去しすぎると反応が続行できなくなります。この設計により、CANDU 原子炉には正の空隙率が与えられ、重水減速システムの遅い中性子力学によって補償され、PWR に匹敵する安全性が得られます。軽水冷却グラファイト減速 RBMK は、天然ウランを使用し、重水を使用せずに兵器級プルトニウムと大量の利用可能な熱の生産の両方を可能にすることを当初構想されていたタイプの原子炉です。冷却材は主に中性子吸収材として機能します。したがって、冷却材喪失事故や水の蒸気への変換によって冷却材を除去すると、核分裂に利用できる熱中性子の量が増加します。チェルノブイリ事故後、この問題は改善され、現在も運転中のすべての RBMK 原子炉はわずかに負のボイド係数を持っていますが、燃料中のウラン濃縮度を高めることが可能になりました。が必要です。

優れた減速材には、ホウ素などの中性子を吸収する不純物が含まれていません。商業用原子力発電所では、減速材には通常、溶解したホウ素が含まれています。原子炉冷却材中のホウ素濃度は、オペレーターがホウ酸を添加するか水で希釈して原子炉出力を操作することによって変更できます。ナチスの核開発計画は、安価な黒鉛減速材が失敗したことで大きな挫折を経験した。当時、ほとんどのグラファイトはホウ素電極上に堆積されており、ドイツの市販グラファイトにはホウ素が多すぎました。ドイツの戦時計画ではこの問題は発見されず、はるかに高価な重水減速材の使用を余儀なくされました。この問題は、有名な物理学者レオ・シラードによって発見されました。

ベリリウムや原子炉グレードの重水など、一部の減速材は非常に高価です。未濃縮ウランと反応させるには、原子炉グレードの重水の純度が 99.75% でなければなりません。重水と普通の水は、速度がわずかに異なるだけで、ほぼ同じ方法で同じ化学結合を形成するため、調製が困難です。 はるかに安価な軽水減速材（本質的には非常に純粋な普通水）は、非濃縮天然ウランに使用するには多すぎる中性子を吸収するため、そのような原子炉を運転するにはウラン濃縮が必要です。あるいは核再処理が必要となり、全体のコストが増加します。濃縮と再処理はどちらも高価で技術的に難しいプロセスであり、さらに濃縮と一部の種類の再処理は兵器に使用可能な物質を作成するために使用でき、拡散の可能性を減らすことができます。懸念を引き起こす。拡散に対するより耐性のある再処理スキームが現在開発中です。 CANDU 原子炉減速装置は安全機能としても機能します。低温低圧の重水の大きなタンクは中性子を軽減し、極端な冷却材喪失事故の状況ではヒートシンクとしても機能します。実際に熱を発生する燃料棒から隔離する。重水は中性子を減速（減速）させるのに非常に効果的であり、CANDU原子炉に高い「中性子経済性」という重要かつ決定的な特徴を与えている。軽水炉では、事故時に炉心に水が追加されると、未臨界の集合体が再び臨界状態になるのに十分な緩和がもたらされますが、重水炉では、炉心に軽水が追加されると反応度が低下します。 、これも重要な安全機能です。特定の事故シナリオの場合。しかし、緊急冷却材の軽水を混合した重水は希釈しすぎて同位体分離なしでは使用できません。

核兵器に関する初期の推測では、「原子爆弾」は中性子減速材によって減速された核分裂性物質の塊であり、構造が原子炉または「杭」に似ていると想定されていました。マンハッタン計画だけが、純粋な金属ウランまたはプルトニウムにおける高速中性子の連鎖反応のアイデアを採用しました。他の穏健なデザインもアメリカ人によって検討されました。提案には、核分裂性物質として重水素化ウランを使用することが含まれていた。 1943年、ロバート・オッペンハイマーとニールス・ボーアは「杭」を武器として使用する可能性を模索しました。その動機は、黒鉛減速材を使用すると、同位体分離を使用せずに連鎖反応を達成できるということでした。しかし、プルトニウムは、爆弾に使用できるほど同位体的に純粋に製造（「品種改良」）することができ、その後、化学的に「のみ」分離する必要があり、これはまだ難しいですが、同位体的に分離するよりもはるかに簡単なプロセスです。 1945年8月、広島への原爆投下に関する情報がイギリスのファームホールに埋葬されているドイツの核開発計画の科学者たちに伝えられたとき、主任科学者ヴェルナー・ハイゼンベルクは、この装置は「原子炉のようなもので、減速材と何度も衝突することで中性子の速度が遅くなる」と述べた。 」ドイツの計画は大幅に遅れており、プルトニウムの選択肢すら考慮されておらず、ウランの大規模同位体分離も実現可能な方法を見つけていない。 マンハッタン計画の成功後、すべての主要な核兵器計画は兵器設計において高速中性子に依存するようになりました。注目すべき例外は、アップショット・ノットホール作戦におけるルースとレイの実験爆発である。カリフォルニア大学放射線研究所の設計の目的は、熱核燃料候補としてウランを含む重水素化ポリエチレン装入物を調査することであった: 第 15 章、これは適切に圧縮されれば、重水素を (活性媒体に) 融合させることができる。それが成功すれば、この装置は最小限の核分裂性物質を使用し、当時UCRLが設計した熱核兵器であるRAMROD:149を発火させるのに十分強力なコンパクトな核爆弾も製造できることを願っています。 「水素化物」一次原子核の場合、圧縮の程度によって重水素は融合しませんが、この設計では加圧が可能となり、収率が大幅に向上します。 :258 コアは重水素化ウラン (UD3)、:202、および重水素化ポリエチレンです。 Wrayでテストされた炉心はU235低濃縮ウランを使用し、両方のショットで重水素が中性子減速材として機能した。 : 260 期待収量はルースで 1.5 ～ 3 kt (潜在的な最大収量は 20 kt: 96)、0.5 レイで 1 kt。それぞれのテストで 200 トンの TNT が生成されました。核爆発物に減速材を使用する主な利点は、臨界に達するために必要な核分裂性物質の量を大幅に削減できることです。高速中性子の速度が低下すると、中性子の吸収断面積が増加し、臨界質量が減少します。ただし、連鎖反応が進行するにつれて減速材が加熱し、中性子を冷却する能力を失うという副作用があります。 緩和のもう 1 つの影響は、その後の中性子生成間の時間が長くなり、反応が遅くなるということです。このため、爆発の封じ込めが問題となっている。爆縮爆弾を封じ込めるために使用される慣性では、反応を封じ込めることはできません。最終的には、衝撃ではなくシューという音が聞こえる場合があります。 したがって、完全に緩和された爆発の爆発力は限られており、最悪の場合、同様の質量の化学爆発物と同等になる可能性があります。もう一度ハイゼンベルクの言葉を引用します。 「遅い中性子では、たとえ重水機械であっても爆発物を作ることはできません。中性子は熱速度でしか移動できません。その結果、反応が非常に遅いため、爆発する前に爆発が早くなります。」 」反応は完了した。熱中性子を利用した核爆弾は非現実的かもしれないが、現代兵器の設計にはある程度の節度があればまだ恩恵を受ける可能性がある。中性子反射器として使用されるベリリウムタンパーは減速材としても機能します。

水素、通常の「軽水」と同じです。また、プロチウムは中性子を捕捉するための大きな断面積を持っているため、あまりにも多くの中性子を失うことなく、限られた緩和のみが可能です。減速が少ない中性子はウラン 238 に捕獲される可能性が高く、ウラン 235 は核分裂を起こす可能性が低いため、軽水炉の運転には濃縮ウランが必要です。 金属ウランと水素の化学反応によって形成される化合物（水素化ウラン-UH3）を、新型原子炉の複合燃料および減速材として使用する提案もある。 水素は極低温液体メタンの形でも使用され、一部の研究炉では冷中性子源として液体水素も使用されます。これにより、中性子の最大値がはるかに低いエネルギーにシフトするマクスウェル-ボルツマン分布が得られます。 ドイツの初期の実験では、パラフィンワックスのように炭素に結合した水素を使用しました。 重水炉などで重水の形で使用される重水素。カンドゥ。非濃縮天然ウランは重水減速炉で使用できます。 原子炉グレードのグラファイトまたは熱分解炭素の形態の炭素。たとえば、炉に使用されます。 RBMK およびペブルベッド反応器または化合物、例えば二酸化炭素。二酸化炭素には炭素原子の 2 倍の酸素原子が含まれており、どちらも同程度の減速効果と中性子吸収効果があるため (上記参照)、二酸化炭素減速炉 (まだ建設されていない) では、減速のかなりの部分が発生します。説明されます。それは実際には酸素から来ています。低温原子炉は、材料内にウィグナーエネルギーが蓄積する傾向があります。重水素減速原子炉と同様に、これらの原子炉の一部は非濃縮天然ウランを使用できます。 また、一部の研究用原子炉では、グラファイトを意図的に約 2000 K 以上に加熱して高温中性子源を生成し、最大値が広がったマクスウェル・ボルツマン分布を与え、より高エネルギーの中性子を生成します。 。 金属の形をしたベリリウム。ベリリウムは高価で有毒であるため、その使用は制限されています。 リチウム 7 はフッ化リチウム塩の形であり、通常はフッ化ベリリウム塩 (FLiBe) と組み合わせて使用​​されます。これは、溶融塩反応器で最も一般的なタイプの減速材です。他の軽核物質は、さまざまな理由から不適当です。ヘリウムは気体であり、十分な密度を達成するには特別な設計が必要です。リチウム 6 とホウ素 10 は中性子を吸収します。

核断面図 中性子反射体 中性子散乱 ウィグナー効果

DOE 基礎ハンドブック: 核物理学と原子炉理論。 Vol. 2 (DOE-HDBK-1019/2-93) (PDF)。米国エネルギー省。 1993 年 1 月。2013 年 12 月 3 日のオリジナル (PDF) からアーカイブ。 2013 年 11 月 29 日にアクセス。