O moderador de nêutrons desempenha um papel crucial nos reatores nucleares, participando no gerenciamento das reações de fissão nuclear. Sua principal função reside na tarefa de reduzir a velocidade dos nêutrons gerados durante essas reações.
No processo de fissão nuclear, os nêutrons colidem com átomos físseis de urânio, desencadeando reações adicionais. Cada evento de fissão libera um ou dois nêutrons em velocidades consideravelmente altas, capazes de iniciar uma reação em cadeia ao colidir com outros átomos circundantes.
A chave para aproveitar eficientemente a energia nuclear reside na manutenção de uma reação em cadeia controlada dentro do reator. Se os nêutrons mantiverem alta velocidade no núcleo do reator, a probabilidade de eles colidirem com outros átomos diminui.
Neste contexto, o moderador assume a responsabilidade de reduzir a velocidade dos nêutrons, melhorando assim o desempenho do reator nuclear. Os nêutrons liberados após uma reação inicial de fissão viajam a aproximadamente 10% da velocidade da luz.
Para garantir o funcionamento óptimo do reactor, é essencial reduzir esta velocidade para alguns quilómetros por segundo, equiparando assim as condições a temperaturas da ordem de algumas centenas de graus Celsius.
Função do moderador nuclear no reator
Os nêutrons, impulsionados por sua alta velocidade, abrigam uma energia cinética considerável. Quando um nêutron colide com um átomo do material designado como moderador, uma fração de sua energia cinética é transferida para o átomo moderador, resultando em uma diminuição simultânea na velocidade dos nêutrons.
Os elementos químicos ideais da tabela periódica para desempenhar o papel de moderador são aqueles com baixa massa atômica, maximizando assim a energia transferida em cada colisão. Dentre eles, destacam-se o hidrogênio, o deutério (presente na água pesada) e o carbono.
A eficácia do moderador baseia-se na sua capacidade de reduzir a velocidade dos nêutrons sem absorvê-los. Para alcançar este equilíbrio, é imperativo que os materiais moderadores tenham uma secção de captura eficaz baixa.
Porém, em determinados momentos da reação em cadeia, é necessária a captura de nêutrons para manter um controle preciso. É aqui que entram em ação as hastes de controle, atuando estrategicamente para regular a quantidade de nêutrons presentes e, portanto, gerenciar a reação em cadeia.
Tipos de moderadores
Existem vários tipos de moderadores nucleares usados em reatores nucleares para desacelerar os nêutrons e facilitar uma reação em cadeia controlada. Aqui estão alguns dos tipos mais comuns:
- Água leve (H₂O) : A água pura, composta principalmente de átomos de hidrogênio e oxigênio, é um moderador eficaz. Em reatores de água leve, a água atua tanto como moderador quanto como refrigerante.
- Água pesada (D₂O) : O deutério, um isótopo do hidrogênio, substitui o hidrogênio na água pesada. Os reatores de água pesada usam esse tipo de água como moderador e refrigerante. A água pesada permite o uso de combustíveis naturais de urânio não enriquecidos.
- Grafite : A grafite, uma forma de carbono, é outro moderador comum. Os reatores de grafite usam blocos de grafite para desacelerar os nêutrons. Este material também pode atuar como refletor, redirecionando alguns nêutrons de volta ao núcleo.
- Água leve e grafite (RBMK) : Alguns reatores, como o tipo RBMK (Reatores de Água Leve e Grafite) usados na antiga União Soviética, combinam água leve e grafite como moderadores. Este design permite certas flexibilidades operacionais.
- Compostos orgânicos : Alguns reatores utilizam compostos orgânicos, como hidrocarbonetos, como moderadores. Estes materiais oferecem propriedades moderadoras eficientes e, em alguns casos, podem simplificar o projeto do reator.
- Moderadores Refratários : Em certos reatores de alta temperatura, materiais refratários são usados como moderadores. Esses materiais, como o óxido de berílio ou o carboneto de silício, podem suportar temperaturas mais altas sem perder eficácia como moderadores.