Nimmt Wasser Neutronen auf?

Wasser wird als Abschirmmaterial in Kernreaktoren verwendet. Was ist seine Funktion als Schild? Absorbiert es Neutronen und gibt es eine Reaktion zwischen Wasser und Neutronen?

Wasser bremst Neutronen. Dies wird "Moderation" genannt und ist in Reaktoren wichtig, da einige Spaltmaterialien wie Uran 235 vorzugsweise durch langsame (thermische) Neutronen gespalten werden, aber nach der Spaltung selbst mehrere schnelle Neutronen emittieren. Wenn wir also einen Reaktor mit Spaltmaterialien in geringer Konzentration bauen wollen, müssen wir den Prozess des Neutroneneinfangs effizient gestalten. Dies wird durch Moderatormaterialien wie Graphit (Kohlenstoff) und Wasser erreicht, die die schnellen Neutronen verlangsamen, sodass sie leicht vom Spaltmaterial eingefangen werden können.
Ich kenne die Funktion von Wasser als Kühlmittel und Moderator. Ich möchte wissen, wie es abschirmt
Reines Wasser ist kein besonders effizientes Abschirmmaterial für Neutronen, es sei denn, es wird in großen Mengen verwendet, aber man kann Salze von Elementen wie Bor hinzufügen, um es nützlicher zu machen. Ich denke, dass dies auch für eine schnelle Reaktorabschaltung nützlich ist.
Wasserstoff ist das beste Material, um die schnellen (~2 MeV) prompten Spaltneutronen zu „verlangsamen“, hauptsächlich wegen der hervorragenden Massenübereinstimmung, die zu einer maximalen Energieübertragung vom Neutron auf ein Proton bei einer Kollision führt. Daher sind die Neutronen, die aus dem Pool austreten, im Allgemeinen langsamer, und Bor hat einen großen Einfangquerschnitt für die langsamen Neutronen. In Neutronenproduktionsanlagen werden eher Materialien wie Paraffin verwendet, mit noch mehr Wasserstoff pro Masse/Volumen (und dass es solide ist, hilft, es bei Bedarf zu bewegen).
Paraffin und andere Wachse waren in den frühen Tagen beliebt, aber die Möglichkeit des Schmelzens bedeutet, dass sie eingeschlossen werden müssen, was für einige Anwendungen ein Problem darstellt. (Sicherlich mochten die Sicherheitsleute bei JLAB keine Wachse.) Kunststoffe haben einen ähnlichen Wasserstoffanteil, sind aber nicht ganz so dicht, daher sind sie in einigen Anwendungen eine Alternative – insbesondere, da PVC Chlor enthält oder Polyurethan mit Bor dotiert werden kann. Keine Ahnung, ob jemand schon einen stabilen Gadolinium-dotierten Kunststoff herausgefunden hat

Antworten (4)

Neutronen sehen kein Wasser, sondern Wasserstoff und Sauerstoff. Die relevanten Wirkungsquerschnitte für "thermische" Neutronen sind

σ streuen σ ergreifen (in Scheunen) Wasserstoff 82 0,33 Sauerstoff 4.2 0,000 19
Sie können also sehen, dass die Hauptwirkung des Wassers darin besteht, dass die Neutronen am Wasserstoff gestreut werden. Dieser Austausch neigt dazu, die Neutronen in ein thermisches Gleichgewicht mit dem Wasser zu bringen (an diesem Punkt können wir sie tatsächlich als "thermische" Neutronen mit typischer kinetischer Energie bezeichnen k T ≈ 25 M e v ).

Aus Sicht des Neutrons ist Wasser ein Gas aus Wasserstoffatomen mit einer Anzahldichte

N = 1 G R A M C M 3 ⋅ 1 M Ö l e H 2 Ö 18 G R A M ⋅ 2 M Ö l e H 1 M Ö l e H 2 Ö = 0,11 M Ö l e H C M 3 .
Der Sauerstoff ist eine 2%ige Korrektur der Streuung und für die Erfassung völlig irrelevant. Die Wahrscheinlichkeit, eine Pfadlänge zu durchlaufen ℓ ohne Interaktion ist exp − N σ ℓ , also ist der mittlere freie Weg zwischen Streuungen für Neutronen in Wasser ungefähr
ℓ streuen = 1 N σ streuen ≈ 2 M M
und zwischen Aufnahmen ist ungefähr
ℓ ergreifen = 1 N σ ergreifen ≈ 450 M M .
Dies deutet darauf hin, dass einige Dezimeter Wasser ziemlich effizient sind, um schnelle Neutronen auf Raumtemperatur zu moderieren, aber einige Meter sind erforderlich, um thermische Neutronen vollständig in Gammastrahlen umzuwandeln, da Wasserstoff (Energie 2 MeV) eingefangen wird. Ein paar Meter Wasser sind ziemlich effizient darin, Gammastrahlen in Wärme umzuwandeln.

Wasser dient für Wasserreaktoren in bis zu 3 Rollen: als Moderator, als Kühlmittel und als Abschirmung.

Wasser ist ein ausgezeichneter Schutzschild für die Alpha-Strahlung von Transuran-Elementen, - wie jede kondensierte Materie, und verringert die Strahlung auf die Hälfte in wahrscheinlich weniger als 1 mm Dicke.

Es ist eine sehr gute Abschirmung für auf Beta-Elektronen basierende Strahlung, hauptsächlich von Spaltprodukten und Neutronenzerfällen, mit einer halben Dicke von typischerweise etwa 1-2 cm.

Es ist keine gute Abschirmung für Gammastrahlung, halbe Dicke mehr als 20 cm.

Es ist ein schlechter Schild für Neutronen im Sinne eines niedrigen Absorptionsquerschnitts, aber es ist ein sehr guter Schild - wie alle wasserstoffreichen Materie - im Sinne einer Verlangsamung von Neutronen auf eine zufällige Bewegung mit thermischer Geschwindigkeit. Diejenigen, die ihr Absorptionsschicksal nicht in Spaltung oder anderem Material finden, zerfallen zu Proton, Elektron und e-Antineutrino mit einer Halbwertszeit von etwa 14 min.

Produkte der Wasser-Neutronenabsorption ist Deuterium für leichten Wasserstoff, resp. Tritium für Deuterium (schweres Wasser oder geringer D-Gehalt in natürlichem Wasser).

1H hat eine bessere moderierende Verlangsamungswirkung als Deuterium, da die Protonen-Neutronen-Massen besser aufeinander abgestimmt sind. Aber leider hat 1H einen viel größeren Absorptionsquerschnitt für Neutronen als Deuterium. Daher kann schweres Wasser für Reaktoren verwendet werden, die nicht angereichertes natürliches Uran verwenden – siehe PHWR und CANDU rector , aber Leichtwasserreaktoren müssen angereichertes Uran verwenden.

Wasser ist kein besonders wirksamer Strahlungsschild und wird meines Wissens in den Reaktoren selbst nicht als Schild verwendet.

Es wird jedoch als Schutzschild in den Becken verwendet, in denen frischer Atommüll gelagert wird. Diese sind als Becken für abgebrannte Brennelemente bekannt und verwenden große Wasserschichten (etwa 10 Meter), um die vom Brennstoff emittierte Strahlung zu absorbieren.

Können Sie mir bitte sagen, welche Reaktionen beim Absorptionsprozess zwischen Wasser und Neutronen ablaufen?
@AmilaPasan: Wasser reagiert nicht in nennenswertem Umfang mit Neutronen. Es schirmt energiereiche Teilchen durch inelastische Streuung und Gammastrahlen durch Compton-Streuung ab.
Nun, experimentelle Reaktoren haben Wassermoderatoren en.wikipedia.org/wiki/Light-water_reactor . Man konnte Cerenkov-Strahlung von den Stäben sehen
@annav: das ist nur unelastische Streuung. Zwischen den Kernen in den Wassermolekülen und den Neutronen findet keine nennenswerte Reaktion statt.
Nun, wenn Sie die Querschnitte für die Erfassung durch Robs Antwort sehen, sind die Reaktionen mit den Kernen

Wasser dient als Kühlmittel in Kernreaktoren. Es wird durch Rohre in und um den Reaktor geleitet, um die entstehende immense Hitze aufzunehmen.

Nimmt Wasser Neutronen auf?
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