ตัวหน่วงนิวตรอน

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
ไปยังการนำทาง ไปยังการค้นหา

ใน วิศวกรรมนิวเคลียร์ ตัวหน่วงนิวตรอน (อังกฤษ: neutron moderator) เป็นตัวกลางที่ช่วยลดความเร็วของ นิวตรอนเร็ว โดยเปลี่ยนพวกมันให้เป็น นิวตรอนความร้อน ที่สามารถสร้างความยั่งยืนให้กับ ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ ที่ใช้ ยูเรเนียม-235 หรือ นิวไคลด์ อื่นที่ทำ ฟิชชัน ได้ที่คล้ายกัน

ตัวหน่วงที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ น้ำปกติ (เบา) (ใช้ประมาณ 75% ของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ของโลก) แท่ง แกรไฟต์ (20% ของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์) และ น้ำหนัก (5% ของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์)[1] เบริลเลียม ก็ได้ถูกนำมาใช้ในรูปแบบเพื่อการทดลองบางอย่าง และพวก ไฮโดรคาร์บอน ก็ได้รับการแนะนำว่ามีความเป็นไปได้อีกตัวหนึ่ง

เรียงตามเครื่องปฏิกรณ์ พลังงานนิวเคลียร์ ที่กำลังใช้งานอยู่ในปัจจุบัน
ตัวหน่วง จำนวนปฏิกรณ์ ประเภทการออกแบบ ประเทศ
ไม่ใช้ (เร็ว) 1 BN-600 รัสเซีย (1)
แกรไฟต์ 29 เครื่องปฏิกรณ์ระบายความร้อนด้วยก๊าซแบบก้าวหน้า(AGR), Magnox, RBMK สหราชอาณาจักร (18), รัสเซีย (11)
น้ำหนัก 29 CANDU PHWR แคนาดา (17), เกาหลีใต้ (4), โรมาเนีย (2),
จีน (2), อินเดีย (18), อาร์เจนตินา, ปากีสถาน
น้ำเบา 359 เครื่องปฏิกรณ์น้ำความดัน(PWR), เครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด(BWR) 27 ประเทศ

การหน่วง[แก้]

นิวตรอนจะยึดเหนี่ยวตามปกติอยู่กับ นิวเคลียสของอะตอม และไม่ได้มีอยู่ฟรีอย่างอิสระได้นานในธรรมชาติ นิวตรอน ที่ไม่ถูกยึดเหนี่ยวจะมี ครึ่งชีวิต เพียงประมาณ 10 นาที การปลดปล่อยนิวตรอนจากนิวเคลียสต้องการพลังงานที่มากกว่า พลังงานยึดเหนี่ยว ของนิวตรอน ซึ่งโดยปกติจะเท่ากับ 7-9 MeV สำหรับ ไอโซโทป ส่วนมาก แหล่งกำเนิดนิวตรอน จะสร้างนิวตรอนอิสระโดยปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่หลากหลาย รวมทั้ง นิวเคลียร์ฟิชชัน และ นิวเคลียร์ฟิวชัน ไม่ว่าแหล่งกำเนิดของนิวตรอนจะเป็นอย่างไร พวกมันจะถูกปลดปล่อยออกมาพร้อมกับพลังงานหลาย MeV

เนื่องจาก พลังงานจลน์ สามารถเกี่ยวข้องกับ อุณหภูมิ ผ่านทางสมการ:

ลักษณะสมบัติที่เป็น อุณหภูมิ ของนิวตรอนที่มีพลังงานหลาย ๆ MeV จะมีอุณหภูมิหลายสิบล้านองศา เซลเซียส

การหน่วงเป็นกระบวนการของการลดลงของพลังงานจลน์สูงช่วงเริ่มต้นของนิวตรอนอิสระ เนื่องจากพลังงานจะถูกอนุรักษ์ การลดลงของพลังงานจลน์ของนิวตรอนนี้จะเกิดขึ้นโดยการโอนพลังงานไปยังวัสดุที่เรียกว่าตัวหน่วง ตัวหน่วงยังเป็นที่รู้จักกันในนาม ตัวชะลอนิวตรอน เนื่องจากที่มาพร้อมกับการลดลงของพลังงานก็คือการลดความเร็วนั่นเอง

ความน่าจะเป็นของการกระเจิงของนิวตรอนตัวหนึ่งจากนิวเคลียสจะถูกกำหนดโดยภาคตัดขวางการกระเจิง คู่แรกของการชนที่มีตัวหน่วงอาจจะมีพลังงานสูงเพียงพอที่จะกระตุ้นนิวเคลียสของตัวหน่วง การปะทะกันดังกล่าวเป็นการชนแบบไม่ยืดหยุ่น เนื่องจากบางส่วนของพลังงานจลน์จะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานศักย์โดยการกระตุ้นบางส่วนของเสรีภาพภภายในของนิวเคลียสเพื่อที่จะสร้างสภาวะกระตุ้น (อังกฤษ: excited state) ในขณะที่พลังงานของนิวตรอนลดลง การชนกลายเป็นแบบยืดหยุ่นเสียส่วนใหญ่ นั่นคือพลังงานจลน์และโมเมนตัมรวมของระบบ (ของนิวตรอนและของนิวเคลียส) ถูกอนุรักษ์ (พลังงานจลน์รวม=โมเมนตัมรวม)

ถ้ากำหนดให้เป็นคณิตศาสตร์ของการชนแบบยืดหยุ่น เนื่องจากนิวตรอนมีน้ำหนักเบามากเมื่อเทียบกับนิวเคลียสส่วนใหญ่ วิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการกำจัดพลังงานจลน์ออกจากนิวตรอนก็คือโดยการเลือกนิวเคลียสหน่วงที่มีมวลใกล้เคียงกัน

การปะทะกันแบบยืดหยุ่นของมวลที่เท่ากัน

การชนของนิวตรอนตัวหนึ่งที่มีมวล = 1 กับนิวเคลียส 1H (โปรตอน) อาจทำให้นิวตรอนสูญเสียเกือบทั้งหมดของพลังงานในการประสานงาเพียงครั้งเดียว โดยทั่วไปอย่างมาก มันจำเป็นต้องคำนึงถึงทั้งการชนแบบเฉียงและการชนแบบประสานงา การลดลงแบบลอการิทึมเฉลี่ยของพลังงานนิวตรอนต่อการชนกันหนึ่งครั้ง ขึ้นอยู่กับมวลของอะตอม ของนิวเคลียสเท่านั้นและจะถูกกำหนดโดย:

.[2]

สมการนี้สามารถประมาณออกมาให้อยู่ในรูปแบบที่ง่ายมากคือ .[โปรดขยายความ][3] จากสมการนี้เราสามารถลบด้วย จำนวนที่คาดหวังของการชนกันของนิวตรอนที่มีนิวเคลียสตามประเภทที่กำหนดให้ที่จะต้องลดพลังงานจลน์ของนิวตรอนจาก เป็น

.[4]
ในระบบที่อยู่ในความสมดุลความร้อน นิวตรอน (สีแดง) ถูกกระเจิงแบบยืดหยุ่นโดยตัวหน่วงแบบสมมุติของนิวเคลียสไฮโดรเจนอิสระ (สีน้ำเงิน) เป็นการประสบกับการเคลื่อนที่ที่กระตุ้นด้วยความร้อน พลังงานจลน์จะถูกเคลื่อนย้ายไประหว่างอนุภาคด้วยกัน เนื่องจากนิวตรอนมีมวลเท่ากับโปรตอนและไม่มีการดูดซับ การกระจายความเร็วของทั้งสองชนิดของอนุภาคจะถูกอธิบายไว้อย่างดีโดยการกระจายแบบแมกส์เวลล์-โบลส์แมนน์

ตัวเลือกสำหรับวัสดุตัวหน่วง[แก้]

 

อ้างอิง[แก้]

  1. Miller, Jr., George Tyler (2002). Living in the Environment: Principles, Connections, and Solutions (12th Edition). Belmont: The Thomson Corporation. p. 345. ISBN 0-534-37697-5.
  2. Stacey., Weston M (2007). Nuclear reactor physics. Wiley-VCH. pp. 29–31. ISBN 3-527-40679-4.
  3. Dobrzynski, L.; K. Blinowski (1994). Neutrons and Solid State Physics. Ellis Horwood Limited. ISBN 0-13-617192-3.
  4. Dobrzynski, L.; K. Blinowski (1994). Neutrons and Solid State Physics. Ellis Horwood Limited. ISBN 0-13-617192-3