He visto esta pregunta muchas veces, y nunca se detalla la respuesta. Al principio supuse que el hidrógeno o el oxígeno tenían secciones transversales de absorción de neutrones relativamente grandes, pero no es el caso, así que ¿qué hace que el agua sea un buen absorbente?
Respuestas
¿Demasiados anuncios?
Eric Grunzke
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El agua es útil para los neutrones blindaje a pesar de que el agua no es un buen absorbente de neutrones. Los núcleos de oxígeno son básicamente invisibles a los neutrones, ya que el oxígeno-16 es un núcleo doblemente mágico sin espín. Sin embargo, el hidrógeno tiene tanto una gran sección transversal de dispersión como una masa baja. Básicamente, en cada evento de dispersión hidrógeno-neutrón, el momento del neutrón saliente es esféricamente simétrico en un sistema de referencia con la mitad de la velocidad inicial del neutrón. Dado que el momento del neutrón se reduce aproximadamente a la mitad con cada dispersión, los neutrones con básicamente cualquier energía alcanzan rápidamente el equilibrio térmico con el agua.
Las barreras de alta dispersión son opacas por las mismas razones por las que la parte inferior de las nubes (que están formadas por gotas de agua transparentes o cristales de hielo) es oscura. Existe un cierto espesor del dispersor en el que la radiación incidente tiene la misma probabilidad de ser transmitida o retrodispersada. Con muchos de estos espesores, la radiación incidente se atenúa exponencialmente, incluso con una absorción despreciable. Los neutrones térmicos en el agua tienen unas mil veces más probabilidades de dispersarse que de capturarse, lo que parece una pequeña sección transversal de captura, pero en realidad no lo es.
Además, el agua es muy barata. El agua líquida tiene la propiedad de que una barrera de agua (a diferencia, por ejemplo, de una barrera de ladrillo) no tiene grietas ni huecos por los que la radiación pueda pasar sin obstáculos. La masa del agua hace que absorba bastante bien los fotones gamma emitidos cuando los neutrones capturan el hidrógeno. Por si fuera poco, los "productos de activación" producidos por la radiación neutrónica en el agua son el deuterio y el oxígeno-17. Ambos no son radiactivos. Ambos no son radiactivos; ni siquiera son venenosos.
Michael
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11
El agua no es un buen absorbente de neutrones en comparación con otros materiales. El agua es un buen moderador de neutrones; el agua ralentiza los neutrones debido a las colisiones de dispersión. Una vez ralentizados, aumenta la sección transversal de absorción de los neutrones de menor energía por otros materiales como el boro (o el uranio para la fisión).
El agua pesada absorbe aún menos neutrones que el agua ligera. Para algunas aplicaciones, la absorción de neutrones por el agua ligera es un problema. Un reactor alimentado con uranio natural (diseño CANDU) requiere agua pesada como moderador en lugar de agua ligera para la criticidad, debido a la menor sección transversal de absorción del agua pesada.
ZeroTheHero
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111
El agua es un buen moderador (bueno en ralentización neutrón) debido a los dos átomos de hidrógeno. Recordemos que, en la colisión de dos bolas de billar donde el blanco está inicialmente en reposo, la partícula incidente puede detenerse tras la colisión sólo si su masa es igual a la masa del blanco. De este modo, los protones del núcleo de hidrógeno pueden detener más o menos a los neutrones (por supuesto, la mayoría de las colisiones no son frontales). Los protones de retroceso se ralentizan a su vez transfiriendo energía a los modos vibracionales o rotacionales de la molécula de agua.
La parafina, que contiene mucho hidrógeno, es un buen blindaje neutrónico precisamente por la misma razón. En cambio, el agua pesada, que sólo contiene deuterones (hidrógeno pesado), no es tan buen moderador como el agua normal.
La abundancia de agua, la facilidad para transportarla y almacenarla, son algunas de las razones por las que históricamente se utilizó como moderador.
shayan
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Sólo para poner algunos números sobre la dispersión frente a la absorción de neutrones en el agua, he sacado datos de ENDF .
Primero, neutrones sobre hidrógeno:
La sección transversal total está en verde, la dispersión elástica (el neutrón rebota, tiene alguna pérdida de energía entre 0 y 50% aproximadamente), y la absorción del neutrón para hacer deuterio. Bueno, realmente no se puede ver la curva total ya que cae bajo la línea de la sección transversal elástica - básicamente toda la dispersión es elástica. A energías de fisión (~2 MeV), la sección transversal de absorción es 4 ó 5 órdenes de magnitud inferior a la sección transversal elástica. Sólo una vez que el neutrón se termaliza, la sección transversal se aproxima a varios órdenes de magnitud.
Para el oxígeno:
Parece incluso peor: incluso a energías térmicas, la sección transversal de absorción es 4 órdenes de magnitud menor que la dispersión elástica, y eso sólo empeora a energías más altas hacia la energía original del neutrón de fisión.
