Zaustavlja li bolje neutrone obična voda ili teška voda?

Jedan od produkata nuklearne reakcije je neutron koji se oslobađa iz jezgre reaktora velikom brzinom. Neutron se teško zaustavlja jer, kao neutralna čestica, ne međudjeluje s nabijenim česticama u tvari. Zapravo, međudjeluje samo ako direktno pogodi sičušnu atomsku jezgru, što je poprilično rijedak događaj. Ali, kada pogodi jezgru uglavnom se odbije od nje jednakom brzinom jer atomske jezgre većine elemenata imaju i stotinu puta veću masu od mase neutrona. Zato neutroni bez problema prolaze kroz većinu materijala, osim kroz vodu. Jedina jezgra koja ima približno jednaku masu masi neutrona je jezgra vodika - proton, a u vodi ih je mnoštvo, jer svaka molekula vode sadrži dva atoma vodika - dva protona. Kada neutron pogodi proton on se potpuno zaustavi, a zbog zakona očuvanja energije i količine gibanja njegovu kinetičku energiju preuzima proton. Proton koji iziječe pri sudaru je pozitivno nabijena čestica, kao takva jako međudjeluje s okolnim molekulama vode i zbog toga se brzo zaustavi. Voda zapravo zamjenjuje neutralne brze neutrone brzim protonima koji se u vodi lako zaustave. Izvrsno apsorbira neutrone jer sadrži puno protona s kojima se neutroni mogu sudariti. Zato je voda izvrsna zaštita od neutrona.
Teška voda umjesto vodika sadrži njegov izotop - deuterij. Deuterijeva jezgra se sastoji od jednog protona i jednog neutrona pa je njezina masa dvostruko veća od mase protona. Zbog toga se sudarom u jezgru deuterija neutron neće sasvim zaustaviti, nego će se usporiti. Usporavanje neutrona omogućuje korištenje prirodnog, neobogaćenog uranijevog goriva u fisijskim nuklearnim reaktorima.
Ukratko, voda služi za zaustavljanje i apsorpciju brzih neutrona, a teška voda služi za njihovo usporavanje. Zajedno čine izvrstan primjer za proučavanje sudara u školi. Eksperimenti s nuklearnim reakcijama nisu mogući u školi, ali zato možemo koristiti simulacije i glavne tvrdnje provjeriti pomoću PHET simulatora sudara koji je dostupan i na hrvatskom jeziku video....
Video prikazuje elastični sudar dvije kuglice. Ljubičasta kuglica predstavlja neutron, a tirkizna jezgru atoma vodika u molekuli vode (proton). U prvom dijelu neutron mase m, brzine v sudara se s protonom čija je masa m' približno jednaka masi neutrona. Pritom se neutron potpuno zaustavi, a proton izlijeće iz molekule vode njegovom brzinom, tako da za ukupnu količinu gibanja i kinetičku eneregiju prije i nakon sudara vrijede zakoni očuvanja:
mv = m'v,
mv² = m'v² .
U drugom primjeru jezgra atoma vodika osim protona sadrži i neutron te ima dvostruko veću masu 2m. Radi se o izotopu vodika - deuteriju. Neutron mase m se sada sudara s česticom dvostruko veće mase te se zbog toga odbija natrag. U tom sudaru mijenja smjer gibanja, a iznos brzine mu se smanji na jednu trećinu početne brzine v tako da za ukupnu količinu gibanja i kinetičku eneregiju prije i nakon sudara vrijede zakoni očuvanja (provjerite):
mv = 2m*2v/3 - mv/3,
mv² = 2m*(2v/3)² + m(v/3)².