Moderador nuclear para niños

Un moderador de neutrones es un material especial que se usa en los reactores nucleares para hacer que los neutrones se muevan más lento. Imagina que los neutrones son como pelotas de ping-pong muy rápidas. Para que estas pelotas puedan chocar y dividir otros átomos de uranio-235 y así producir energía, necesitan ir a una velocidad más baja. El moderador es como un "freno" para estas pelotas.

Los materiales más comunes que se usan como moderadores son el agua (a veces llamada "agua ligera"), el grafito (un tipo de carbono) y el agua pesada. El agua normal es el moderador más usado en el mundo.

¿Qué es la moderación de neutrones?

Los neutrones son partículas muy pequeñas que normalmente están dentro de los núcleos de los átomos. Cuando se liberan, por ejemplo, en una fisión nuclear (cuando un átomo se divide), salen a una velocidad muy alta. Piensa en ellos como pequeños proyectiles con mucha energía.

La moderación es el proceso de reducir la velocidad de estos neutrones rápidos. Para lograrlo, los neutrones chocan con los átomos del material moderador. Cada vez que un neutrón choca, transfiere parte de su energía al átomo del moderador, como cuando una bola de billar choca con otra y le transfiere su movimiento. Así, el neutrón se va haciendo más lento.

¿Por qué es importante que los neutrones se ralenticen?

Cuando los neutrones son muy rápidos, es menos probable que choquen con los núcleos de uranio-235 y los dividan. Pero si se ralentizan, se vuelven mucho más efectivos para causar nuevas fisiones. Esto es clave para que la reacción nuclear en cadena en un reactor nuclear se mantenga de forma controlada y produzca energía de manera eficiente.

Colisión elástica de masas iguales. Los neutrones chocan con los átomos del moderador, transfiriendo energía y ralentizándose.

¿Qué materiales son buenos moderadores?

Un buen moderador debe tener dos características principales:

• Debe estar hecho de átomos ligeros: Cuanto más ligera sea la partícula con la que choca el neutrón, más energía le transferirá en cada choque. Por eso, el hidrógeno (que es parte del agua) es muy bueno, porque su núcleo (un protón) tiene una masa casi igual a la del neutrón.
• No debe "comerse" los neutrones: Es decir, no debe absorberlos. Si el moderador absorbe muchos neutrones, no habrá suficientes para continuar la reacción en cadena.

Los materiales más usados son:

• Agua (agua ligera): Es el más común. Sus átomos de hidrógeno son muy efectivos para ralentizar los neutrones. Sin embargo, el hidrógeno también puede absorber algunos neutrones, por lo que los reactores que usan agua ligera necesitan uranio enriquecido (uranio con más uranio-235).
• Agua pesada: Contiene un tipo de hidrógeno llamado deuterio, que es un poco más pesado que el hidrógeno normal. El deuterio es un excelente moderador porque ralentiza muy bien los neutrones y casi no los absorbe. Esto permite que los reactores de agua pesada usen uranio natural (sin enriquecer).
• Grafito: Es una forma de carbono. También es un buen moderador y se ha usado en muchos reactores.

Esta tabla muestra cuántas colisiones se necesitan aproximadamente para ralentizar un neutrón desde una energía alta hasta una energía baja, dependiendo del material.

Moderadores en los reactores nucleares

En un reactor nuclear, los neutrones rápidos que se liberan de la fisión deben ser ralentizados para que puedan causar más fisiones en el uranio-235. Si no se ralentizan, la reacción en cadena no se mantendría.

En un sistema en equilibrio térmico, los neutrones (rojo) son dispersados elásticamente por un moderador hipotético de núcleos de hidrógeno libres (azul), que experimentan un movimiento activado térmicamente. La energía cinética se transfiere entre partículas.

Algunos reactores están diseñados para que casi todas las fisiones sean causadas por neutrones lentos (térmicos), mientras que en otros, una parte de las fisiones son causadas por neutrones más rápidos.

¿Cómo se ubica el moderador en un reactor?

El moderador puede estar en diferentes formas y lugares:

• En muchos reactores, el moderador es el mismo agua que se usa para enfriar el reactor. Si hay un problema y el agua se pierde, el moderador también se pierde y la reacción se detiene, lo cual es una característica de seguridad importante.
• En otros reactores, como los CANDU, el moderador (agua pesada) está en un tanque separado alrededor de los tubos de combustible.

Impurezas en los moderadores

Es muy importante que los materiales moderadores sean muy puros. Incluso pequeñas cantidades de impurezas pueden absorber neutrones y hacer que el reactor no funcione correctamente. Por ejemplo, el boro es un elemento que absorbe muchos neutrones. Por eso, si el grafito tiene boro como impureza, no servirá como moderador.

En algunas centrales nucleares, se añade boro disuelto al agua del moderador para controlar la potencia del reactor. Al cambiar la cantidad de boro, los operadores pueden ajustar cuántos neutrones se absorben y, por lo tanto, la velocidad de la reacción.

Moderadores y el diseño de armas

Al principio, cuando se investigaban las armas nucleares, se pensó que podrían usar moderadores para controlar la reacción. Sin embargo, se descubrió que para que una explosión sea muy potente y rápida, se necesitan neutrones rápidos, no lentos. Los diseños de armas modernas no usan moderadores para la explosión principal, aunque algunos componentes pueden actuar como reflectores de neutrones, lo que también ayuda a la reacción.

El uso de un moderador en un explosivo nuclear reduciría la cantidad de material necesario para iniciar la reacción, pero también la haría más lenta y difícil de controlar para una explosión rápida.

Materiales usados como moderadores

Aquí hay un resumen de los materiales más comunes y algunas de sus características:

• Hidrógeno (en agua normal): Es el más usado. Requiere uranio enriquecido porque el hidrógeno absorbe algunos neutrones.
• Deuterio (en agua pesada): Muy eficiente y absorbe muy pocos neutrones. Permite usar uranio natural.
• Carbono (en grafito): También es un buen moderador. Algunos reactores que lo usan pueden operar con uranio natural.
• Berilio: Es un metal que también puede ser un moderador, pero es caro y puede ser tóxico.
• Litio-7: Se usa en algunos tipos de reactores experimentales llamados reactores de sal fundida.

Galería de imágenes

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  La probabilidad de fisión disminuye a medida que aumenta la energía (y la velocidad) de los neutrones. Esto explica por qué la mayoría de los reactores alimentados con ²³⁵U necesitan un moderador para mantener una reacción en cadena.

Véase también

En inglés: Neutron moderator Facts for Kids