El propósito de un moderador es reducir la velocidad de los neutrones rápidos producidos por la fisión nuclear. Esta es la única forma de usar uranio natural en un reactor nuclear, porque el U-238 dominante no se fisiona fácilmente, pero capturará neutrones rápidos. Esto mata la reacción en cadena. El U-235 fisionable es mucho mejor para capturar neutrones lentos para producir más fisión, manteniendo la reacción en cadena. El uranio enriquecido, con un mayor porcentaje de U-235, puede soportar una reacción en cadena con menos moderación, razón por la cual los reactores navales usan uranio bastante enriquecido; Permite un cuerpo de reactor más ligero.
Un moderador ideal ralentiza los neutrones rápidamente, pero sin absorber ninguno; es estable a altas temperaturas y bajo bombardeo nuclear; es químicamente inerte; y es barato
El primer requisito lo cumple un moderador que contiene los núcleos más livianos posibles. Es una física básica de primer año que una colisión entre dos partículas es más eficiente en el intercambio de energía cuando las partículas tienen casi la misma masa. El hidrógeno ligero es muy bueno a este respecto, ya que su núcleo es un solo protón, con casi la misma masa que un neutrón. El hidrógeno ligero también es barato, y si se suministra en forma de agua ordinaria, no se quemará y no acumulará daño por radiación (ya que es un fluido). Desafortunadamente, el agua puede volverse inestable a temperatura elevada (tanto a través de explosiones de vapor y a través de reacciones con otros componentes del reactor que generan hidrógeno) y, lo peor de todo, tiene una posibilidad significativa de capturar en lugar de dispersar un neutrón, formando deuterio (hidrógeno pesado). Sin embargo, las otras ventajas son tales que una buena cantidad de luz Los reactores de agua han sido diseñados y construidos y están en uso. Estos requieren que el uranio se enriquezca moderadamente, para compensar la captura de neutrones en el moderador.
El agua pesada evita el problema de la captura de neutrones (el deuterio casi no tiene tendencia a capturar neutrones), pero es bastante costoso y sigue siendo agua, con el potencial de explosiones de vapor y reacciones generadoras de hidrógeno. Sin embargo, el diseño CANDU, que utiliza agua pesada y uranio natural, ha tenido bastante éxito.
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En principio, se podrían usar otras formulaciones de hidrógeno o deuterio para moderar neutrones. Por ejemplo, la parafina sería un buen moderador en algunos aspectos, pero por supuesto es inflamable cuando está caliente. Incluso se podría usar celulosa, si no fuera por el problema de su inflamabilidad; Una vez trabajé en un laboratorio de investigación haciendo experimentos de fusión a muy pequeña escala donde el blindaje era estanterías llenas de viejas impresiones de computadora. Estos fueron perfectamente adecuados para bloquear el flujo muy pequeño de neutrones generado por los experimentos.
La otra alternativa histórica es el grafito. El carbono no es un buen moderador, pero es la siguiente alternativa más ligera al hidrógeno que no es un horrible absorbente de neutrones y es terriblemente caro a granel. El grafito ya no se usa mucho; como sólido cristalino, es susceptible al daño por radiación, tiene cierta tendencia a absorber neutrones y arde ferozmente a altas temperaturas. Esto es más o menos lo que sucedió en Chernobyl, un diseño que ya era muy obsoleto en el momento del desastre allí. El carbono todavía se usa como moderador en algunos diseños de lechos de guijarros, donde hay un recubrimiento amorfo alrededor de los gránulos de combustible, y algunos de estos diseños son inherentemente seguros y, por lo tanto, candidatos para futuros reactores.
Algunos diseños modernos usan sales de litio como moderador. El problema aquí es que el litio debe ser litio-7, ya que el litio-6 absorbe los neutrones. El litio es bastante caro. Sin embargo, las sales de litio se funden como se usan en un reactor, por lo que el daño por radiación no es un problema y las sales son bastante inertes. Creo que los reactores de sal fundida pueden ser la ola del futuro en diseños de reactores inherentemente seguros.
El berilio podría ser un moderador decente, si fuera mucho menos costoso y no tan tóxico como lo es. No obstante, a veces se usa junto con sales de litio en reactores de sales fundidas. La mezcla de sales de litio y berilio tiene un punto de fusión más bajo que cualquiera de los dos, lo cual es una buena calidad para un reactor de sal fundida.