Quali sono i migliori materiali moderatori di neutroni?

Nel contesto dell’ingegneria nucleare, “moderare” significa “rallentare la velocità”, ed è estremamente importante per le reazioni di fissione.

Nonostante infatti la nostra esperienza macroscopica ci suggerisca che la probabilità di “rompere” un bersaglio sia più alta se il proiettile è più veloce, nella fisica nucleare vale esattamente il contrario: sono i neutroni lenti quelli che hanno maggiore probabilità di causare una rottura.

Ma cosa intendiamo con “neutroni lenti” e “neutroni veloci”?

I neutroni lenti sono quelli che hanno un’energia cinetica dello stesso ordine di grandezza di quella delle particelle del materiale in cui si trovano. Dal momento che l’energia cinetica delle particelle determina la temperatura del sistema, i neutroni di questo tipo vengono anche detti “termici”.

A temperatura ambiente i neutroni termici hanno energie dell’ordine di 0,025 eV, ovvero si muovono ad una velocità di 2-3 km al secondo.

I neutroni veloci invece sono quelli le cui energie cinetiche sono dell’ordine del MeV (decine di milioni di volte superiori a quelle dei neutroni termici), e che quindi hanno una velocità compresa tra i 14.000 e i 20.000 km/s. I neutroni che vengono emessi durante il processo di fissione e nel corso dei decadimenti radioattivi sono quasi sempre neutroni veloci.

Come si rallentano i neutroni? Semplice: facendoli scontrare con altri nuclei atomici. Il principio è lo stesso di quello delle palle da biliardo: quando la palla bianca colpisce un’altra palla, una parte della sua energia cinetica viene trasferita nell’urto, e la palla bianca andrà più lenta. Questo avviene in misura tanto maggiore quanto più le due masse sono simili, e per questo i migliori materiali moderatori sono quelli che hanno masse atomiche piccole.

Tuttavia ci sono anche altri fattori da tenere in considerazione: ad esempio alcuni nuclei atomici assorbono i neutroni, e pertanto non vanno bene; altri invece sono molto poco densi, e quindi la probabilità che un neutrone urti un nucleo è molto bassa.

Vediamo dunque quali sono i materiali più usati per la moderazione neutronica.

Prozio: dal momento che l’idrogeno è l’elemento più leggero di tutti, si presta particolarmente bene a fungere da moderatore. L’idrogeno gassoso è stabile e poco denso, ma l’idrogeno è presente anche nella molecola dell’acqua, che oltretutto è largamente disponibile sul nostro pianeta e può fungere anche da fluido termovettore. Ecco dunque spiegato perché la maggior parte dei reattori nucleari moderni è moderata ad acqua. Tuttavia il Prozio (o 1H) ha anche un difetto, e cioè che ogni tanto cattura un neutrone. Per questo a volte gli si preferisce il…

Deuterio: l’isotopo dell’idrogeno con un protone e un neutrone è una delle scelte migliori in assoluto per la moderazione dei neutroni. È altamente efficiente e ha una bassissima probabilità di cattura. Purtroppo non è propriamente disponibile a buon mercato, e per questo oggi è poco usato. Anche il 2H, ovviamente, non si utilizza come gas, bensì all’interno di un composto chimico, che è sempre l’acqua – o, per essere precisi, l’acqua pesante (formula chimica D2O o 2H2O).

Gli elementi immediatamente successivi all’idrogeno nella tavola periodica non vanno molto bene come moderatori: l’Elio è un gas, e pertanto è troppo rarefatto e i neutroni lo attraversano senza quasi urtare i nuclei; inoltre è un gas nobile e quindi non è possibile utilizzarlo all’interno di un composto chimico liquido o solido. Il Litio 6 tende a catturare i neutroni, e va addirittura incontro a fissione (generando Trizio ed Elio). Dobbiamo quindi saltare fino al…

Berillio: il Berillio sarebbe in teoria uno dei candidati migliori a svolgere il ruolo di moderatore. Non solo infatti rallenta i neutroni, ma è anche in grado di fungere da “moltiplicatore” (quando un nucleo di Berillio assorbe un neutrone, ne rilascia due). Purtroppo questo metallo si porta dietro anche delle problematiche notevoli, la prima delle quali è il fatto di non essere propriamente tra i minerali più economici, e la seconda è il fatto che tende a “gonfiarsi” quando sottoposto ad irraggiamento neutronico, cosa che può creare problemi di stabilità meccanica all’interno di un reattore. Last, but not least, il Berillio è tossico per l’uomo. Esistono comunque modelli di reattori a sali fusi in cui il moderatore sarebbe costituito da un sale di Litio-7 e Berillio.

Carbonio: saltando a piè pari il Boro, che sappiamo essere un assorbitore di neutroni, si arriva immediatamente al Carbonio, che assieme all’acqua e all’acqua pesante è il materiale più utilizzato per moderare i neutroni. La grafite veniva infatti utilizzata sia nei famigerati reattori sovietici RBMK, refrigerati ad acqua, sia nei reattori MAGNOX, diffusi soprattutto in Inghilterra, dove il fluido termovettore era Anidride Carbonica in forma gassosa. I reattori di quarta generazione refrigerati ad Elio potrebbero anch’essi fare uso di Carbonio pirolitico a scopo di moderazione (parziale).

Gli elementi successivi al Carbonio iniziano a diventare troppo pesanti per garantire un effetto moderatore accettabile, e dunque non vengono utilizzati.

La prossima volta vedremo quali sono i migliori materiali riflettori di neutroni e poi quali sono i migliori fluidi refrigeranti/termovettori.

-Luca