Az atomerőművekben a fő energiatermelő folyamat a $\mathrm{{}^{235}U}$ hasadása, amelyben $\approx \mathrm{MeV}=10^6 \ \mathrm{eV}$ energiájú, azaz nagy energiás neutronok keletkeznek, de újabb hasadást (a láncreakció fenntartását) a kis energiájú neutronok képesek leginkább kiváltani, ugyanis a neutronok annál nagyobb eséllyel tudnak magreakciókat kelteni, minél kisebb a $v$ sebességük (ez az ún. $1/v$-törvény). Az uránhasítás valószínűsége a neutron energiájának függvényében:
Látható, hogy a neutron lelassulása sok nagyságrenddel növeli a hasítás valószínűségét. (Az ábra közepén látható "kiugrások" ún. rezonanciák, mert bizonyos meghatározott energiákon a hasadás valószínűsége jelentősen megnő.)
Az ábra alapján a neutron "minél jobban lelassul, annál jobb". De vajon meddig lassulhat a neutron? Adott $T$ hőmérsékleten a hőmozgás miatti termikus energia az ekvipartíció tétele szerint szabadsági fokonként
$$\varepsilon=\frac{1}{2}kT$$
a hűtővíz $300\ \mathrm{{}^\circ C}$ hőmérsékletén (ahol a legtöbb atomerőműben a neutronlassítás zajlik) ez $\varepsilon\approx 0,05\ \mathrm{eV}$. Tehát a neutronok energiáját a kezdeti $10^6 \ \mathrm{eV}$ nagyágrendről $10^{-1} \ \mathrm{eV}$ nagyságrendre kell csökkenteni, ami 7 nagyságrendet jelent, az eredetinél tízmilliószor kisebbet
Ez csak több lépéses folyamattal valósítható meg. Mivel a neutron semleges, így az atomok elektronjaival nem hat kölcsön. Maradnak tehát az atommagok, amikkel ütközve le tud adni energiát (átad nekik azáltal, hogy meglöki őket). Sok lépésben végül lelassul annyira, hogy a hőmozgás miatti energiája az ekvipartíció tétele szerint a környezeti hőmérsékletnek megfelelő lesz (termalizálódik).
A világ atomerőműveiben különféle anyagokat használnak moderátorként, nézzük, mi alapján választották ki őket!
Milyen a jó moderátor?
A jó moderátor előnyös tulajdonságai:
- a moderátor atommagja egy ütközésben sok energiát vesz át a neutrontól
- a moderátor atommagja nem nyeli el a neutronokat (nehogy visszafogja a láncreakciót)
- nagy atomsűrűségű (térfogategységenként sok atomot, így atommagot tartalmaz)
- olcsó
- nem mérgező, nem korrozív, kémiailag stabil stb
Nézzük ezek alapján, hogy ki lesz a befutó!
A rugalmas ütközésekben látottak szerint egy ütközésben annál nagyobb mozgási enegia adódhat át, minél közelebb van az ütköző részecskék tömege egymáshoz (gondoljunk a billiárdgolyókra: ha egyet frontálisan nekilökünk egy állónak, akkor a "bombázó" megáll, azaz teljesen átadja a mozgási energiáját a kezdetben állónak). Ez alapján a legjobb moderátor a neutron lenne, de olyan atom nem létezik, melynek magja csak egy neutronból áll (hiszen a semleges neutron nem okoz Coulomb-erőt, így nem lenne, ami a mag körül tartaná az elektronjait. A második legjobb moderátor magja a ${}^1\mathrm{H}$ könnyűhidrogénnek van, hiszen az ő atommagját alkotó egyetlen proton tömege szinte pontosan megegyezik a lelassítandó neutron tömegével. Azonban a tiszta (elemi állapotú) hidrogénnel két baj is van:
- az atomerőműben uralkodó pár 100 Celsius fokos hőmérséklet messze a hidrogén $-240\ ^\circ \mathrm{C}$-os kritikus hőmérséklete felett van, ezért ilyenkor a hidrogén nem cseppfolyósítható, így az atomsűrűsége kicsi, amitől nem nem lenne hatékony moderátor
- a könnyűhidrogén nem elhanyagolható mértékben elnyeli a neutronokat deutériummá alakulva, ami a láncreakciót visszafogná
\[{}^1\mathrm{H}+n^0 \to {}^2\mathrm{H}\]
Az első szempont miatt a tiszta hidrogén (vagyis $\mathrm{H_2}$ hidrogéngáz) helyett olyan hidrogénvegyület lenne alkalmasabb, mely az atomerőművi körülmények között szilárd vagy folyékony, ilyen a $\mathrm{H_2O}$ víz. A második szempont miatt a $^{1}\mathrm{H}$ könnyűhodrogén helyett jobb a $^{2}\mathrm{H}$ nehézhidrogén, azaz a $\mathrm{D}$ deutérium. Ha mindkét szempontot érvényesíteni akarjuk, akkor kiváló ötlet a $\mathrm{D_2O}$ nehézvíz, ugyanis az atomsűrűsége nagy, a deutérium magjai pedig alig nyelik a neutronokat, ahogy az $\mathrm{{}^{16}O}$ oxigén magjai sem neutronabszorbensek, hiszen itt páros mind a protonok, mind a neutronok száma. Ennek a jó ajánlatnak egyetlen hátránya van, hogy drága, 2022-ben literje 50 USD (15 ezer Ft) körül van. A gazdag, és a biztonságra sokat áldozó Kanadában emiatt nehézvíz hűtésűek az atomerőművek (CANDU típus). Az atomerőművek 75%-ában azonban a jóval olcsóbb $\mathrm{H_2O}$ "könnyűvíz" (tisztított csapvíz) a moderátor, így a magyar ugaron, Pakson is. (Egyébként a Pakson is működő ún. nyomottvizes reaktortípusban a víz nemcsak moderátor, hanem hűtőközeg is, vagyis a neutronlassítás mellett a termelődő hő elszállításáról is gondolskodik.)
A grafit
Egy másik, bár kevésbé elterjedt moderátor anyag a grafit, ugyanis
- szilárd (emiatt térfogategységben sok atomja van)
- a tömegszáma viszonylag kicsi, így ütközésben elég hatékonyan vesz át energiát a neutrontól
- a természetes szén 99%-a $^{12}\mathrm{C}$, amiben a neutronok és protonok száma is páros, így nagyon stabil atommag, nem akar befogni neutront, azaz nem neutronabszorbens
A 2. világháború során a Manhatten-tervben Hanfordban épült első atomreaktorokban (amik még nem energiatermelési céllal, hanem a nagaszakira dobott atombombához szükséges plutónium előállítására épültek) is grafit volt a moderátor, ahogy a forralóvizes reaktorokban is (amilyen a csernobili RBMK-típus is). A grafit ugyan moderátornak kiváló paraméterekkel rendelkezik, de vízhűtésű erőművekben biztonsági kockázatot jelent, hogy a hűtővíz csőtörése vagy felforrása esetén a grafit tovább moderálja a neutronokat, azaz fenntartja a láncreakciót. Ezzel szemben a nyomottvizes reaktorokban (akár könnyűvizes, akár nehézvizes), a víz egyszerre hűtőközeg és moderátor, így ha a hűtővíz eltűnik, akkor megszűnik a neutronok moderálása, így a láncreakció az efféle vészhelyzetekben magától elhal. További hátránya, hogy egy esetleges robbanás esetén ha a grafit a környező levegővel érintkezésbe kerül, akkor oxidálódni, azaz égni fog, amit aztán nehéz eloltani. Ez meg is történt Csernobilban, ahol 10 napig égett a szétrobbant aktív zóna több száz tonna grafitja, miközben folyamatosan felvitte a légkörbe az erőmű radioaktív anyagait a "kéményhuzat"-ja révén.
Brit tudósok
Ha nem víz a hűtőközeg, akkor a grafit moderátor nemcsak hatékony, de biztonságos is tud lenni (amíg egy súlyosabb sérülés esetén a grait oxigénhez nem jut, akkor ugyanis hevesen égni kezd). Az Egyesült Királyságban épült atomerőművek grafitmoderátorral és nagy nyomású szén-dioxid gáz hűtéssel működnek (AGR, Advanced Gas-cooled Reactor típus)