ตัวหน่วงนิวตรอน

ใน วิศวกรรมนิวเคลียร์ ตัวหน่วงนิวตรอน (อังกฤษ: neutron moderator) เป็นตัวกลางที่ช่วยลดความเร็วของ นิวตรอนเร็ว โดยเปลี่ยนให้เป็น 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) 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

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 ก็จะถูกปลดปล่อยออกมาพร้อมกับพลังงานหลาย MeV

เนื่องจาก พลังงานจลน์ $E$ สามารถเกี่ยวข้องกับ อุณหภูมิ ผ่านทางสมการ:

$E={\frac {1}{2}}mv^{2}={\frac {3}{2}}k_{B}T$

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 $\xi$ ขึ้นอยู่กับมวลของอะตอม $A$ ของนิวเคลียสเท่านั้นและจะถูกกำหนดโดย:

$\xi =\ln {\frac {E_{0}}{E}}=1+{\frac {(A-1)^{2}}{2A}}\ln \left({\frac {A-1}{A+1}}\right)$.

สมการนี้สามารถประมาณออกมาให้อยู่ในรูปแบบที่ง่ายมากคือ $\xi \simeq {\frac {2}{A+1}}$. จากสมการนี้เราสามารถลบด้วย $n$ จำนวนที่คาดหวังของการชนกันของนิวตรอนที่มีนิวเคลียสตามประเภทที่กำหนดให้ที่จะต้องลดพลังงานจลน์ของนิวตรอนจาก $E_{0}$ เป็น $E_{1}$

$n={\frac {1}{\xi }}(\ln E_{0}-\ln E_{1})$.

ในระบบที่อยู่ในความสมดุลความร้อน นิวตรอน (สีแดง) ถูกกระเจิงแบบยืดหยุ่นโดยตัวหน่วงแบบสมมุติของนิวเคลียสไฮโดรเจนอิสระ (สีน้ำเงิน) เป็นการประสบกับการเคลื่อนที่ที่กระตุ้นด้วยความร้อน พลังงานจลน์จะถูกเคลื่อนย้ายไประหว่างอนุภาคด้วยกัน เนื่องจากนิวตรอนมีมวลเท่ากับโปรตอนและไม่มีการดูดซับ การกระจายความเร็วของทั้งสองชนิดของอนุภาคจะถูกอธิบายไว้อย่างดีโดยการกระจายแบบแมกส์เวลล์-โบลส์แมนน์