Materiale Moderatoare în Energetica Nucleară

Reactoarele nucleare se bazează pe "fisiune" procesul de generare a energiei termice pentru a produce electricitate. Fisiune este o reacţie în lanţ al carui proces trebuie să fie controlat pentru buna funcţionare şi în condiţii de siguranţă a reactorului. Materialele utilizate pentru a controla viteza neutronilor produsi in timpul fisiunii sunt cunoscute ca moderatori. Există mai multi moderatori comuni utilizate în reactoare nucleare, cum ar fi grafit, beriliu şi apă grea. Aceste materiale sunt selectate ca moderatori pe baza unor proprietăţi foarte speciale.

Proprietăţi unui Moderator :

Un moderator ar trebui să aibă următoarele proprietăţi:

1 să aibă conductivitate termică ridicată.

2 să fie disponibil în cantităţi mari, în formă pură.

3 să aibă punct de topire ridicat, în caz de moderatori solide şi punct de topire scăzut, în caz de moderatori lichide.

4 Moderatori solide ar trebui să aibă, de asemenea, putere bună şi capacitatea de maşină.

5 să ofere o bună rezistenţă la coroziune.

6 să fie stabil la caldura si radiatii.

7 să fie posibilitatea de a încetini neutronii

Grafitul

Este un moderator de neutroni frecvent utilizate în reactoare nucleare. El are puritate satisfăcător (99 la sută pură, cu conţinut de cenuşă mai puţin de 300 ppm şi bor mai mică de aproximativ 2 ppm), disponibil la un preţ rezonabil. Este stabil termic, dar la temperaturi ridicate se poate reacţiona cu oxigenul si dioxidul de carbon în reactor ce poate duce la scăderea eficienţei de moderare . Se poate, de asemenea, forma carburi (un compus format din carbon, cu un alt element), după cum reacţionează cu unele metale şi oxizi metalici. In ciuda faptului ca un non-metal, grafit are căldură specifică bună, care este o proprietate importantă a moderatorilor de neutroni. Neajunsurile de bază de grafit cu moderatie nucleare sunt sansele de oxidare în prezenţa de aer, puterea scăzută şi densitate scăzută. Dimensiunile sale se pot schimba sub influenţa radiaţiilor în reactor.

Grafitul a fost folosit ca moderator în primul reactor nuclear,construit de E.Fermi în 1942.Materialele moderatoare au rolul de a reduce energia neutronilor rapizi rezultaţi din fisiune, transformându+i în neutroni termici, care au o mai mare probabilitate de absorţie de către nucleele fisionabile.Astfel, o filieră de reactori moderaţi cu grafit, a fost dezvoltată în U.R.S.S, prima centrală nuclearo-electrică din lume, Obninsk, de 5 Mw, fiind de acest tip.

-Utilizarea expansivă a carbonului mai ales sub formă de compozite pe bază de fibră de carbon,se explică printr-o serie de factori de natură tehnică şi economică:

1 Rezistenţă mecanică foarte bună,-(in cadrul grafitului aceasta creşte cu temperatura~2800 K.

2 Densitatea teoretică a grafitului este de 2,27×10³ kg/m³

3 Temperatura de sublimare este de 3923 K.

4 Rezistivitate electrică= 8×10 Ω∙m

5 Structură cristalină=hexagonală.

O proprietate specifică a grafitului este creşterea rezistenţei mecanice odată cu creşterea temperaturii pînă la valori de ~2800 K.Rezistenţa la compresiune variază într-un mod asemănător.

Faţă de grafitul utilizat în scopuri nenucleare (electrozi etc) ,grafitul nuclear trebuie să aibă o densitate mai mare, o puritate mai avansată şi o permeabilitate cît mai redusă.Densitatea mare îi asigură o mai mare putere de moderare şi deci o zonă activă a reactorului- mai redusă.Puritatea chimică avansată este necesară în vederea realizării unei cît mai bune economii de neutroni.Conţinutul de impurităţi al grafitului utilizat în reactoarele nucleare se limitează la 10² %.