In der Kerntechnik ist ein Neutronvorsitzender ein Medium, das die Geschwindigkeit von schnellen Neutronen reduziert, dadurch sie in Thermalneutronen verwandelnd, die dazu fähig sind, eine Kernkettenreaktion zu stützen, die mit Uran 235 verbunden ist.

Allgemein verwendete Vorsitzende schließen regelmäßiges (leichtes) Wasser (ungefähr 75 % der Reaktoren in der Welt), fester Grafit (20 % von Reaktoren) und schweres Wasser (5 % von Reaktoren) ein.

Beryllium ist auch in einigen experimentellen Typen verwendet worden, und Kohlenwasserstoffe sind als eine andere Möglichkeit angedeutet worden.

Mäßigung

Neutronen werden normalerweise in einen Atomkern gebunden, und bestehen frei lange in der Natur nicht. Das ungebundene Neutron hat eine Halbwertzeit von gerade weniger als 15 Minuten. Die Ausgabe von Neutronen vom Kern verlangt das Übersteigen der Bindungsenergie des Neutrons, das normalerweise 7-9 MeV für die meisten Isotope ist. Neutronquellen erzeugen freie Neutronen durch eine Vielfalt von Kernreaktionen, einschließlich der Atomspaltung und Kernfusion. Was für die Quelle von Neutronen werden sie mit Energien von mehreren MeV veröffentlicht.

Da die kinetische Energie mit der Temperatur verbunden sein kann über:

die charakteristische Neutrontemperatur mehrer-MeV Neutrons ist mehrere zehn Millionen von Grad Celsius.

Mäßigung ist der Prozess der Verminderung der anfänglichen hohen kinetischen Energie des freien Neutrons. Da Energie erhalten wird, findet diese Verminderung der kinetischen Neutronenergie durch die Übertragung der Energie zu einem als ein Vorsitzender bekannten Material statt. Es ist auch bekannt als Neutron, das sich verlangsamt, da zusammen mit der Verminderung der Energie die Verminderung der Geschwindigkeit kommt.

Die Wahrscheinlichkeit des Zerstreuens eines Neutrons von einem Kern wird durch die sich zerstreuende böse Abteilung gegeben. Die ersten beiden von Kollisionen mit dem Vorsitzenden können der genug hohen Energie sein, den Kern des Vorsitzenden zu erregen. Solch eine Kollision ist unelastisch, da etwas von der kinetischen Energie in die potenzielle Energie durch das Aufregen einige der inneren Grade der Freiheit des Kerns umgestaltet wird, einen aufgeregten Staat zu bilden. Da die Energie des Neutrons gesenkt wird, werden die Kollisionen vorherrschend elastisch, d. h. die kinetische Gesamtenergie und der Schwung des Systems (dieses des Neutrons und des Kerns) werden erhalten.

Gegeben, weil Neutronen im Vergleich zu den meisten Kernen sehr leicht sind, ist die effizienteste Weise, kinetische Energie vom Neutron zu entfernen, durch die Auswahl eines sich mäßigenden Kerns, der nahe identische Masse hat.

Eine Kollision eines Neutrons, das Masse 1, mit einem H Kern hat (ein Proton) konnte auf das Neutron hinauslaufen, das eigentlich ganze seine Energie in einem einzelnen Frontalzusammenstoß verliert. Mehr allgemein ist es notwendig in Betracht zu ziehen sowohl flüchtig zu blicken, als auch Frontalzusammenstöße. Die logarithmische Mittelverminderung der Neutronenergie pro Kollision hängt nur von der Atommasse des Kerns ab und wird gegeben durch:

.

Dem kann zur sehr einfachen Form vernünftig näher gekommen werden. Von diesem, kann die erwartete Zahl von Kollisionen des Neutrons mit Kernen eines gegebenen Typs ableiten, der erforderlich ist, die kinetische Energie eines Neutrons von zu reduzieren, zu:.

Wahl von Vorsitzender-Materialien

Einige Kerne haben größere Absorptionskreuz-Abteilungen als andere, der freie Neutronen vom Fluss entfernt. Deshalb ist ein weiteres Kriterium für einen effizienten Vorsitzenden ein, für den dieser Parameter klein ist. Die sich mäßigende Leistungsfähigkeit gibt das Verhältnis der makroskopischen bösen Abteilungen des Zerstreuens, beschwert durch den geteilten durch diese der Absorption: d. h.. Für einen zusammengesetzten Vorsitzenden, der aus mehr als einem Element wie leichtes oder schweres Wasser zusammengesetzt ist, ist es notwendig, das Moderieren und die fesselnde Wirkung sowohl des Wasserstoffisotops als auch Sauerstoff-Atoms in Betracht zu ziehen, um zu rechnen. Ein Neutron von der Spaltungsenergie von 2 MeV zu 1 eV zu bringen, nimmt eine erwartete von 16 und 29 Kollisionen für HO, und TUN SIE beziehungsweise. Deshalb werden Neutronen durch leichtes Wasser schneller gemäßigt, weil H einen viel höheren hat. Jedoch hat es auch einen viel höheren, so dass die sich mäßigende Leistungsfähigkeit für schweres Wasser fast 80mal höher ist als für leichtes Wasser.

Der ideale Vorsitzende ist von der niedrigen Masse, hoch böse Abteilung und niedrige Absorptionskreuz-Abteilung streuend.

Der Vertrieb von Neutrongeschwindigkeiten hat sich einmal gemäßigt

Nach genügend Einflüssen wird die Geschwindigkeit des Neutrons mit der Geschwindigkeit der durch die Wärmebewegung gegebenen Kerne vergleichbar sein; dieses Neutron wird dann ein Thermalneutron genannt, und der Prozess kann auch thermalization genannt werden. Einmal am Gleichgewicht bei einer gegebenen Temperatur wird der Vertrieb von Geschwindigkeiten (Energien), die starrer Bereiche erwartet sind, die sich elastisch zerstreuen, durch den Vertrieb von Maxwell-Boltzmann gegeben. Das wird nur in einem echten Vorsitzenden wegen der Geschwindigkeit (Energie) Abhängigkeit des Absorptionsquerschnitts durch die meisten Materialien ein bisschen modifiziert, so dass Neutronen der niedrigen Geschwindigkeit bevorzugt absorbiert werden, so dass der wahre Neutrongeschwindigkeitsvertrieb im Kern ein bisschen heißer sein würde als vorausgesagt.

Reaktorvorsitzende

In einem Thermalkernreaktoren absorbiert der Kern eines schweren Kraftstoffelements wie Uran ein schleppendes freies Neutron, wird nicht stabil, und spaltet sich dann ("Spaltungen") in zwei kleinere Atome ("Spaltungsprodukte") auf. Der Spaltungsprozess für U Kerne gibt zwei Spaltungsprodukte nach: Zwei bis drei schnell bewegende freie Neutronen, plus ein Betrag der Energie sind in erster Linie in der kinetischen Energie der zurückschreckenden Spaltungsprodukte erschienen. Die freien Neutronen werden mit einer kinetischen Energie von ~2 MeV jeder ausgestrahlt. Weil freiere Neutronen von einem Uran-Spaltungsereignis veröffentlicht werden, als Thermalneutronen erforderlich sind, das Ereignis zu beginnen, kann die Reaktion selbst werden - eine Kettenreaktion - unter kontrollierten Bedingungen stützend, so einen enormen Betrag der Energie befreiend (sieh Artikel Nuclear Fission).

Die Wahrscheinlichkeit von weiteren Spaltungsereignissen wird durch die Spaltungskreuz-Abteilung bestimmt, die auf die Geschwindigkeit (Energie) der Ereignis-Neutronen abhängig ist. Für Thermalreaktoren sind energiereiche Neutronen in der MeV-Reihe viel weniger wahrscheinlich, um weitere Spaltung zu verursachen. (Bemerken Sie: Es ist für schnelle Neutronen nicht unmöglich, Spaltung, gerade viel weniger wahrscheinlich zu verursachen.) Müssen die kürzlich veröffentlichten schnellen Neutronen, sich mit ungefähr 10 % der Geschwindigkeit des Lichtes bewegend, verlangsamt oder normalerweise zu Geschwindigkeiten von einigen Kilometern pro Sekunde "gemäßigt" werden, wenn sie wahrscheinlich sein sollen, weitere Spaltung im Grenzen U Kerne zu verursachen und folglich die Kettenreaktion fortzusetzen. Diese Geschwindigkeit ist zufällig zu Temperaturen in der wenigen Celsiushundert-Reihe gleichwertig.

In allen gemäßigten Reaktoren werden einige Neutronen aller Energieniveaus Spaltung einschließlich schneller Neutronen erzeugen. Einige Reaktoren sind mehr völlig thermalised als andere; zum Beispiel in einem CANDU Reaktor werden fast alle Spaltungsreaktionen durch Thermalneutronen erzeugt, während in einem unter Druck gesetzten Wasserreaktor (PWR) ein beträchtlicher Teil der Spaltungen durch Neutronen der höheren Energie erzeugt wird. Im vorgeschlagenen wasserabgekühlten superkritischen Wasserreaktor (SCWR) kann das Verhältnis von schnellen Spaltungen um 50 % zu weit gehen, es technisch einen schnellen Neutronreaktor machend.

Ein schneller Reaktor verwendet keinen Vorsitzenden, aber verlässt sich auf die durch ungemäßigte schnelle Neutronen erzeugte Spaltung, um die Kettenreaktion zu stützen. In einigen schnellen Reaktordesigns können bis zu 20 % von Spaltungen aus der direkten schnellen Neutronspaltung von Uran 238, ein Isotop kommen, das überhaupt mit Thermalneutronen nicht spaltbar ist.

Vorsitzende werden auch in Nichtreaktorneutronquellen, wie Plutonium-Beryllium und spallation Quellen verwendet.

Form und Position

Die Form und Position des Vorsitzenden können die Kosten und Sicherheit eines Reaktors außerordentlich beeinflussen. Klassisch waren Vorsitzende mit der Präzision maschinell hergestellte Blöcke des hohen Reinheitsgrafits mit eingebettetem ducting, um Hitze wegzutragen. Sie waren im heißesten Teil des Reaktors, und unterwerfen deshalb der Korrosion und ablation. In einigen Materialien, einschließlich des Grafits, kann der Einfluss der Neutronen mit dem Vorsitzenden den Vorsitzenden veranlassen, gefährliche Beträge der Energie von Wigner anzusammeln. Dieses Problem hat zum berüchtigten Feuer von Windscale an den Windscale-Stapeln, einem Kernreaktor-Komplex im Vereinigten Königreich 1957 geführt.

Einige Reaktorvorsitzende des Kieselstein-Betts sind nicht nur einfach, sondern auch billig: Der Kernbrennstoff wird in Bereichen des Reaktorranges pyrolytic Kohlenstoff grob der Größe von Tennisbällen eingebettet. Die Räume zwischen den Bällen dienen als ducting. Der Reaktor wird über Wigner bedient, der Temperatur ausglüht, so dass der Grafit gefährliche Beträge der Energie von Wigner nicht ansammelt.

In CANDU und PWR Reaktoren ist der Vorsitzende flüssiges Wasser (schweres Wasser für CANDU, leichtes Wasser für PWR). Im Falle eines Unfalls des Verlustes des Kühlmittels in einem PWR wird der Vorsitzende auch verloren, und die Reaktion wird anhalten. Dieser negative leere Koeffizient ist eine wichtige Sicherheitseigenschaft dieser Reaktoren. In CANDU wird der Vorsitzende in einem getrennten Schwer-Wasserstromkreis gelegen, die unter Druck gesetzten Schwer-Wasserkühlmittel-Kanäle umgebend. Dieses Design gibt CANDU Reaktoren einen positiven leeren Koeffizienten, obwohl sich die langsamere Neutronkinetik von schwerem Wasser gemäßigt hat, Systeme ersetzt das, zu vergleichbarer Sicherheit mit PWRs führend."

Vorsitzender-Unreinheiten

Gute Vorsitzende sind auch frei von neutronabsorbierenden Unreinheiten wie Bor. In kommerziellen Kernkraftwerken enthält der Vorsitzende normalerweise aufgelöstes Bor. Die Bor-Konzentration des Reaktorkühlmittels kann von den Maschinenbedienern durch das Hinzufügen von Borsäure oder durch das Verdünnen mit Wasser geändert werden, um Reaktormacht zu manipulieren. Kernprogramm des deutschen Zweiten Weltkriegs hat einen wesentlichen Rückschlag ertragen, als seine billigen Grafit-Vorsitzenden gescheitert haben zu arbeiten. Damals wurden die meisten Grafite auf Bor-Elektroden abgelegt, und der deutsche kommerzielle Grafit hat zu viel Bor enthalten. Seitdem das deutsche Kriegsprogramm nie dieses Problem entdeckt hat, wurden sie gezwungen, viel teurere schwere Wasservorsitzende zu verwenden. In den Vereinigten Staaten hat Leó Szilárd, ein ehemaliger Chemotechniker, das Problem entdeckt.

Nichtgrafit-Vorsitzende

Einige Vorsitzende, sind zum Beispiel Beryllium und Reaktorrang schweres Wasser ziemlich teuer. Reaktorrang schweres Wasser muss um 99.75 % rein sein, um Reaktionen mit unbereichertem Uran zu ermöglichen. Das ist schwierig sich vorzubereiten, weil schweres regelmäßiges und Wasserwasser dieselben chemischen Obligationen auf fast dieselben Weisen mit nur ein bisschen verschiedenen Geschwindigkeiten bildet.

Der viel preiswertere leichte Wasservorsitzende (im Wesentlichen sehr reines regelmäßiges Wasser) absorbiert zu viele Neutronen, die mit unbereichertem natürlichem Uran zu verwenden sind, und deshalb werden Uran-Bereicherung oder Kernwiederaufbereitung notwendig, um solche Reaktoren zu bedienen, das Vergrößern kostet insgesamt. Sowohl Bereicherung als auch Wiederaufbereitung sind teure und technologisch schwierige Prozesse, und zusätzlich sowohl Bereicherung als auch mehrere Typen der Wiederaufbereitung können verwendet werden, um waffenverwendbares Material zu schaffen, Proliferationssorgen verursachend. Wiederaufbereitung von Schemas, die gegen die Proliferation widerstandsfähiger sind, ist zurzeit unter der Entwicklung.

Der Vorsitzende des CANDU Reaktors verdoppelt sich als eine Sicherheitseigenschaft. Eine große Zisterne der niedrigen Temperatur, schweres Unterdruckwasser mäßigt die Neutronen und handelt auch als ein Hitzebecken in äußersten Unfallbedingungen des Verlustes des Kühlmittels. Es wird von den Kraftstoffstangen getrennt, die wirklich die Hitze erzeugen. Schweres Wasser ist daran sehr wirksam (sich mäßigende) Neutronen zu verlangsamen, CANDU Reaktoren ihre wichtige und definierende Eigenschaft der hohen "Neutronwirtschaft gebend."

Kernwaffendesign

Die frühe Spekulation über Kernwaffen hat angenommen, dass eine "Atombombe" ein großer Betrag des spaltbaren Materials sein würde, das durch einen Neutronvorsitzenden gemäßigt ist, der in der Struktur zu einem Kernreaktoren oder "Stapel" ähnlich ist. Nur das Projekt von Manhattan hat die Idee von einer Kettenreaktion von schnellen Neutronen in reinem metallischem Uran oder Plutonium umarmt. Andere gemäßigte Designs wurden auch von den Amerikanern betrachtet; Vorschläge haben das Verwenden von Uran hydride als das spaltbare Material eingeschlossen. 1943 haben Robert Oppenheimer und Niels Bohr die Möglichkeit gedacht, einen "Stapel" als eine Waffe zu verwenden. Die Motivation war, dass mit einem Grafit-Vorsitzenden es möglich sein würde, die Kettenreaktion ohne den Gebrauch jeder Isotop-Trennung zu erreichen. Im August 1945, als die Information der Atombombardierung Hiroshimas den Wissenschaftlern des deutschen Kernprogramms weitergegeben wurde, das am Farm-Saal in England interniert ist, hat erster Wissenschaftler Werner Heisenberg Hypothese aufgestellt, dass das Gerät "etwas wie ein Kernreaktor mit den Neutronen gewesen sein muss, die durch viele Kollisionen mit einem Vorsitzenden verlangsamt sind."

Nach dem Erfolg des Projektes von Manhattan hat sich der ganze Major auf schnelle Neutronen in ihren Waffendesigns verlassen. Die bemerkenswerte Ausnahme ist die Testexplosionen von Ruth und Ray des Operationsergebnis-Astloches. Das Ziel der Universität des Strahlenlabordesigns von Kalifornien sollte eine Explosion erzeugen, die stark genug ist, um eine thermonukleare Waffe mit dem minimalen Betrag des spaltbaren Materials zu entzünden. Der Kern hat aus Uran hydride, mit Wasserstoff, oder im Fall von Ray, schwerer Wasserstoff bestanden, der als der Neutronvorsitzende handelt. Der vorausgesagte Ertrag war 1.5 zu 3 kt für Ruth und 0.5-1 kt für Ray. Die Tests haben Erträge von 200 Tonnen von TNT jeder erzeugt; wie man betrachtete, waren beide Tests Zischen.

Der Hauptvorteil, einen Vorsitzenden in einem Kernexplosivstoff zu verwenden, ist, dass der Betrag des spaltbaren Materials reichen musste, kann criticality außerordentlich reduziert werden. Das Verlangsamen von schnellen Neutronen wird die böse Abteilung für die Neutronabsorption vergrößern, die kritische Masse reduzierend. Eine Nebenwirkung besteht jedoch darin, dass weil die Kettenreaktion fortschreitet, wird der Vorsitzende geheizt, so seine Fähigkeit verlierend, die Neutronen abzukühlen.

Eine andere Wirkung der Mäßigung besteht darin, dass die Zeit zwischen nachfolgenden Neutrongenerationen vergrößert wird, die Reaktion verlangsamend. Das macht die Eindämmung der Explosion ein Problem; die Trägheit, die verwendet wird, um Implosionstyp-Bomben zu beschränken, wird nicht im Stande sein, die Reaktion zu beschränken. Das Endergebnis kann ein Zischen statt eines Schlags sein.

Die explosive Macht einer völlig gemäßigten Explosion wird so beschränkt, schlimmstenfalls kann es einem chemischen Explosivstoff der ähnlichen Masse gleich sein. Wieder das Zitieren von Heisenberg: "Man kann einen Explosivstoff mit langsamen Neutronen nie machen, nicht sogar mit der schweren Wassermaschine, weil dann die Neutronen nur mit der Thermalgeschwindigkeit mit dem Ergebnis gehen, dass die Reaktion so langsam ist, dass das Ding eher explodiert, bevor die Reaktion abgeschlossen ist."

Während eine Atombombe, die an Thermalneutronen arbeitet, unpraktisch sein kann, moderne Waffendesigns noch aus einem Niveau der Mäßigung einen Nutzen ziehen können. Ein als ein Neutronreflektor verwendeter Beryllium-Stampfer wird auch als ein Vorsitzender handeln.

Materialien verwendet

• Wasserstoff, als in gewöhnlichem "leichtem Wasser." Weil protium auch eine bedeutende böse Abteilung für die Neutronfestnahme hat, nur hat Mäßigung beschränkt ist möglich, ohne zu viele Neutronen zu verlieren. Die weniger gemäßigten Neutronen werden relativ mit größerer Wahrscheinlichkeit durch Uran 238 und weniger wahrscheinlich zu Spaltungsuran 235 gewonnen, so leichte Wasserreaktoren verlangen, dass bereichertes Uran funktioniert.
• Es gibt auch Vorschläge, die Zusammensetzung zu verwenden, die durch die chemische Reaktion von metallischem Uran und Wasserstoff (Uran hydride - UH) als ein Kombinationsbrennstoff und Vorsitzender in einem neuen Typ des Reaktors gebildet ist.
• Wasserstoff wird auch in der Form des kälteerzeugenden flüssigen Methans und manchmal flüssigen Wasserstoffs als eine kalte Neutronquelle in einigen Forschungsreaktoren verwendet: Das Nachgeben eines Vertriebs von Maxwell-Boltzmann für die Neutronen, deren Maximum zu viel niedrigeren Energien ausgewechselt wird.
• Wasserstoff, der mit Kohlenstoff als in Paraffin verbunden ist, wurde in einigen frühen deutschen Experimenten verwendet.
• Schwerer Wasserstoff, in der Form von schwerem Wasser, in schweren Wasserreaktoren, z.B. CANDU. Mit schwerem Wasser gemäßigte Reaktoren können unbereichertes natürliches Uran verwenden.
• Kohlenstoff, in der Form des Reaktorrang-Grafits oder pyrolytic Kohlenstoff, der in z.B verwendet ist. RBMK und Reaktoren des Kieselstein-Betts, oder in Zusammensetzungen, z.B Kohlendioxyd http://www.bookrags.com/research/carbon-dioxide-chmc. Niedrig-Temperaturreaktoren sind gegen die Zunahme der Energie von Wigner im Material empfindlich. Wie mit dem schwerem Wasserstoff gemäßigte Reaktoren können einige dieser Reaktoren unbereichertes natürliches Uran verwenden.
• Grafit wird auch absichtlich erlaubt, zu ungefähr 2000 K oder höher in einigen Forschungsreaktoren geheizt zu werden, um eine heiße Neutronquelle zu erzeugen: Das Geben eines Vertriebs von Maxwell-Boltzmann, dessen Maximum ausgedehnt wird, um höhere Energieneutronen zu erzeugen.
• Beryllium, in der Form von Metall. Beryllium ist teuer und toxisch, so wird sein Gebrauch beschränkt.
• Lithium 7, in der Form von Lithiumfluorid-Salz, normalerweise in Verbindung mit Beryllium-Fluorid-Salz (FLiBe). Das ist der allgemeinste Typ des Vorsitzenden in einem Geschmolzenen Salz-Reaktor.

Andere Materialien der leichten Kerne sind aus verschiedenen Gründen unpassend. Helium ist ein Benzin, und es verlangt, dass Sonderanfertigung genügend Dichte erreicht; Lithium 6 und Bor 10 absorbiert Neutronen.

Zeichen

Siehe auch

• Böse Kernabteilung
• Neutronreflektor