¿Cuál es la función del ‘agua pesada’ en la creación de energía nuclear?

El agua pesada no participa activamente en el proceso que produce energía nuclear. Ese proceso es la fisión nuclear, donde los núcleos de uranio 235 o plutonio (o incluso torio) se rompen (fisión) en múltiples núcleos, neutrones y energía libre. Esa energía libre hierve el agua en vapor, que a su vez hace girar las turbinas y produce electricidad.

El agua pesada desempeña el papel de moderador . ¿Qué es un moderador?

Un moderador es cualquier compuesto que se utiliza para controlar las velocidades de neutrones. ¿Por qué necesitamos hacer esto? Bueno, los neutrones producidos por la fisión nuclear son generalmente extremadamente rápidos debido a su alta energía. Tales neutrones de alta velocidad también tienen una mayor probabilidad de perder otros núcleos (los neutrones son los iniciadores de las reacciones de fisión). Para evitar esto y mantener una reacción en cadena, necesitamos reducir la velocidad de los neutrones para reducir las energías térmicas, donde se encuentran en el “punto dulce” para iniciar la fisión.

Se sabe que en caso de colisión, la energía cinética máxima se pierde cuando las partículas en colisión tienen una masa casi igual. Debido a esto, seleccionamos compuestos moderadores como aquellos que tienen baja masa (comparable a los neutrones). Claramente, el agua pesada es un buen candidato.

Las otras dos respuestas (en este escrito) son perfectamente correctas, pero no enfatizan la razón por la que se usa agua pesada en lugar de agua ligera.

Hay dos razones por las que el agua pesada es un buen moderador.

  1. El deuterio tiene una masa cercana a un neutrón. Como han dicho otros, se transfiere más energía cuando un neutrón rápido colisiona con una masa cercana a la suya. Comparten la energía de manera más uniforme. Un neutrón tiene una masa de 1 amu. El núcleo de deuterio tiene una masa de 2 amu. Lo único mejor que el deuterio es el hidrógeno normal que tiene una masa de 1 amu.

¿Por qué no usar agua ligera que tiene hidrógeno regular? Después de todo, los neutrones perderían más energía por colisión, ¿no?

  1. Además de reducir la velocidad de los neutrones, el moderador (agua ligera o agua pesada) absorberá algunos neutrones. El hidrógeno regular absorberá fácilmente un neutrón para convertirse en deuterio; Esto elimina el neutrón de la reacción en cadena (esto es malo). El deuterio rara vez absorberá un neutrón para convertirse en tritio. El agua pesada es mejor que el agua ligera porque absorbe muy pocos neutrones.

En resumen, aunque el agua ligera ralentiza los neutrones mejor que el agua pesada, el agua pesada es un mejor moderador porque absorbe muy pocos neutrones en el proceso.

El agua pesada es un buen moderador, lo que significa que es bueno para desacelerar los neutrones. El deuterio en agua pesada tiene una sección transversal de muy baja absorción, de modo que no desperdicia muchos de sus neutrones convirtiendo el deuterio en tritio. El deuterio también es ligero y tiene solo dos nucleones. Esto significa que un neutrón puede ceder una gran fracción de su energía en una sola colisión con el deuterio (un neutrón que colisiona con un núcleo pesado a menudo se compara con un bb que golpea una bola de boliche: la conservación de la energía y el impulso evita que la bola de boliche absorba mucha energía de la bb).

Estas propiedades del agua pesada lo convierten en un moderador tan bueno que un reactor puede volverse crítico con el uranio natural, uranio que solo tiene 0.711 por ciento en peso de U235.

Un reactor de agua pesada es entonces el reactor de elección para producir plutonio. Evita la necesidad de enriquecer uranio. Los neutrones que se pierden por absorción en U238 producen U239 que se descompone en Np239 que se descompone en Pu239. Se puede separar el Pu239 químicamente del combustible irradiado.

Los reactores de agua pesada también se utilizan con bastante frecuencia para la investigación: habría que mirar el diseño para saber si el reactor era adecuado para la producción de Pu.

La moderación (desaceleración) de neutrones permite que un reactor use uranio enriquecido en menor cantidad. La moderación de agua pesada o grafito ultra puro permite usar uranio natural no enriquecido; El agua ordinaria requiere al menos un bajo enriquecimiento.