reacción nuclear en cadena -Nuclear chain reaction

Una posible reacción en cadena de fisión nuclear
: 1) Un átomo de uranio-235 absorbe un neutrón y se fisiona en dos (fragmentos de fisión), liberando tres nuevos neutrones y una gran cantidad de energía de enlace .
2) Uno de esos neutrones es absorbido por un átomo de uranio-238 , y no continúa la reacción. Otro neutrón abandona el sistema sin ser absorbido. Sin embargo, un neutrón choca con un átomo de uranio-235, que luego se fisiona y libera dos neutrones y más energía de enlace.
3) Ambos neutrones chocan con átomos de uranio-235, cada uno de los cuales se fisiona y libera algunos neutrones, que luego pueden continuar la reacción.

En física nuclear , una reacción nuclear en cadena ocurre cuando una sola reacción nuclear provoca un promedio de una o más reacciones nucleares posteriores, lo que lleva a la posibilidad de una serie de autopropagación de estas reacciones. La reacción nuclear específica puede ser la fisión de isótopos pesados ​​(p. ej., uranio-235 , 235 U). Una reacción nuclear en cadena libera varios millones de veces más energía por reacción que cualquier reacción química .

Historia

Las reacciones químicas en cadena fueron propuestas por primera vez por el químico alemán Max Bodenstein en 1913, y se entendían bastante bien antes de que se propusieran las reacciones nucleares en cadena. Se entendió que las reacciones químicas en cadena eran responsables del aumento exponencial de las tasas de reacciones, como las que se producen en las explosiones químicas.

Según los informes, el científico húngaro Leó Szilárd planteó por primera vez el concepto de una reacción nuclear en cadena el 12 de septiembre de 1933. Esa mañana, Szilárd había estado leyendo en un periódico de Londres sobre un experimento en el que se habían utilizado protones de un acelerador para dividir el litio-7 en partículas alfa, y el hecho de que la reacción produjo cantidades mucho mayores de energía que el protón suministrado. Ernest Rutherford comentó en el artículo que las ineficiencias en el proceso impidieron su uso para la generación de energía. Sin embargo, el neutrón había sido descubierto por James Chadwick en 1932, poco antes, como producto de una reacción nuclear. Szilárd, que se había formado como ingeniero y físico, juntó en su mente los dos resultados experimentales nucleares y se dio cuenta de que si una reacción nuclear producía neutrones, que luego provocaban otras reacciones nucleares similares, el proceso podría ser una cadena nuclear que se perpetúa a sí misma. -reacción, produciendo espontáneamente nuevos isótopos y energía sin la necesidad de protones o un acelerador. Szilárd, sin embargo, no propuso la fisión como mecanismo de su reacción en cadena, ya que la reacción de fisión aún no se había descubierto, ni siquiera sospechado. En cambio, Szilárd propuso usar mezclas de isótopos conocidos más ligeros que producían neutrones en grandes cantidades. Presentó una patente para su idea de un reactor nuclear simple al año siguiente.

En 1936, Szilárd intentó crear una reacción en cadena utilizando berilio e indio , pero no tuvo éxito. La fisión nuclear fue descubierta por Otto Hahn y Fritz Strassmann en diciembre de 1938 y explicada teóricamente en enero de 1939 por Lise Meitner y su sobrino Otto Robert Frisch . En su segunda publicación sobre fisión nuclear en febrero de 1939, Hahn y Strassmann utilizaron por primera vez el término Uranspaltung (fisión de uranio) y predijeron la existencia y liberación de neutrones adicionales durante el proceso de fisión, abriendo la posibilidad de una cadena nuclear. reacción.

Unos meses más tarde, Frédéric Joliot-Curie , H. Von Halban y L. Kowarski en París buscaron y descubrieron la multiplicación de neutrones en el uranio, demostrando que una reacción nuclear en cadena por este mecanismo era realmente posible.

El 4 de mayo de 1939, Joliot-Curie, Halban y Kowarski presentaron tres patentes. Los dos primeros describen la producción de energía a partir de una reacción nuclear en cadena, el último llamado Perfectionnement aux charge explosivos fue la primera patente de la bomba atómica y está registrada como patente No. 445686 por la Caisse nationale de Recherche Scientifique .

Paralelamente, Szilárd y Enrico Fermi en Nueva York hicieron el mismo análisis. Este descubrimiento motivó la carta de Szilárd y firmada por Albert Einstein al presidente Franklin D. Roosevelt , advirtiendo de la posibilidad de que la Alemania nazi pudiera estar intentando construir una bomba atómica .

El 2 de diciembre de 1942, un equipo dirigido por Fermi (y que incluía a Szilárd) produjo la primera reacción en cadena nuclear artificial autosostenida con el reactor experimental Chicago Pile-1 (CP-1) en una cancha de raqueta debajo de las gradas de Stagg Field en la Universidad de Chicago . Los experimentos de Fermi en la Universidad de Chicago fueron parte del Laboratorio Metalúrgico del Proyecto Manhattan de Arthur H. Compton ; Más tarde, el laboratorio pasó a llamarse Laboratorio Nacional de Argonne y se le asignó la tarea de realizar investigaciones sobre el aprovechamiento de la fisión para la energía nuclear.

En 1956, Paul Kuroda de la Universidad de Arkansas postuló que alguna vez pudo haber existido un reactor de fisión natural. Dado que las reacciones nucleares en cadena solo pueden requerir materiales naturales (como agua y uranio, si el uranio tiene cantidades suficientes de 235 U), era posible que estas reacciones en cadena ocurrieran en el pasado distante cuando las concentraciones de uranio-235 eran más altas que en la actualidad. y donde había la combinación correcta de materiales dentro de la corteza terrestre.235
U
compuso una mayor parte del uranio en la tierra en el pasado geológico debido a las diferentes vidas medias de los isótopos.235
tu
y238
U
, el primero decayendo casi un orden de magnitud más rápido que el segundo. La predicción de Kuroda se verificó con el descubrimiento de pruebas de reacciones en cadena nucleares autosostenidas naturales en el pasado en Oklo, Gabón , en septiembre de 1972. moderador de neutrones como agua pesada o carbono de alta pureza (por ejemplo, grafito) en ausencia de venenos de neutrones , que es aún más improbable que surja por procesos geológicos naturales que las condiciones en Oklo hace unos dos mil millones de años.

Reacción en cadena de fisión

Las reacciones en cadena de fisión se producen debido a las interacciones entre los neutrones y los isótopos fisionables (como el 235 U). La reacción en cadena requiere tanto la liberación de neutrones de isótopos fisionables que experimentan fisión nuclear como la posterior absorción de algunos de estos neutrones en isótopos fisionables. Cuando un átomo sufre una fisión nuclear, unos cuantos neutrones (el número exacto depende de factores incontrolables e inmedibles; el número esperado depende de varios factores, normalmente entre 2,5 y 3,0) son expulsados ​​de la reacción. Estos neutrones libres luego interactuarán con el medio circundante, y si hay más combustible fisionable presente, algunos pueden ser absorbidos y causar más fisiones. Por lo tanto, el ciclo se repite para dar una reacción que es autosuficiente.

Las centrales nucleares funcionan controlando con precisión la velocidad a la que se producen las reacciones nucleares. Las armas nucleares, por otro lado, están diseñadas específicamente para producir una reacción que es tan rápida e intensa que no se puede controlar una vez que ha comenzado. Cuando se diseña correctamente, esta reacción incontrolada conducirá a una liberación de energía explosiva.

Combustible de fisión nuclear

Las armas nucleares emplean combustible de alta calidad y muy enriquecido que supera el tamaño y la geometría críticos (masa crítica ) necesarios para obtener una reacción explosiva en cadena. El combustible con fines energéticos, como en un reactor de fisión nuclear, es muy diferente y suele consistir en un material de óxido poco enriquecido (por ejemplo, UO 2 ). Hay dos isótopos primarios que se utilizan para las reacciones de fisión dentro de los reactores nucleares. El primero y más común es el U-235 o uranio-235. Este es el isótopo fisionable del uranio y constituye aproximadamente el 0,7% de todo el uranio natural. Debido a la pequeña cantidad de uranio-235 que existe, se considera una fuente de energía no renovable a pesar de encontrarse en formaciones rocosas de todo el mundo. El U-235 no puede utilizarse como combustible en su forma base para la producción de energía. Debe someterse a un proceso conocido como refinamiento para producir el compuesto UO 2 o dióxido de uranio. Luego, el dióxido de uranio se prensa y se forma en gránulos cerámicos, que posteriormente se pueden colocar en barras de combustible. Esto es cuando el dióxido de uranio compuesto se puede utilizar para la producción de energía nuclear. El segundo isótopo más común utilizado en la fisión nuclear es Pu-239 o plutonio-239. Esto se debe a su capacidad para volverse fisionable con la interacción de neutrones lentos. Este isótopo se forma dentro de los reactores nucleares al exponer el U-238 a los neutrones liberados por el isótopo radiactivo U-235. Esta captura de neutrones provoca la descomposición de partículas beta que permite que el U-238 se transforme en Pu-239. El plutonio se encontró una vez de forma natural en la corteza terrestre, pero solo quedan pequeñas cantidades. La única forma en que es accesible en grandes cantidades para la producción de energía es a través del método de captura de neutrones. Otro combustible propuesto para reactores nucleares, que sin embargo no tiene ningún papel comercial a partir de 2021, es233
U
, que se "cria" mediante la captura de neutrones y las subsiguientes desintegraciones beta del torio natural, que está compuesto casi en un 100% por el isótopo Torio-232 . Esto se llama el ciclo de combustible del torio .

Proceso de enriquecimiento

El isótopo fisionable uranio-235 en su concentración natural no es apto para la gran mayoría de los reactores nucleares. Para estar preparado para su uso como combustible en la producción de energía, debe estar enriquecido. El proceso de enriquecimiento no se aplica al plutonio. El plutonio apto para reactores se crea como un subproducto de la interacción de neutrones entre dos isótopos diferentes de uranio. El primer paso para enriquecer uranio comienza con la conversión del óxido de uranio (creado a través del proceso de molienda de uranio) en forma gaseosa. Este gas se conoce como hexafluoruro de uranio, que se crea combinando fluoruro de hidrógeno, gas flúor y óxido de uranio. El dióxido de uranio también está presente en este proceso y se envía para ser utilizado en reactores que no requieren combustible enriquecido. El compuesto de hexafluoruro de uranio restante se drena en fuertes cilindros de metal donde se solidifica. El siguiente paso es separar el hexafluoruro de uranio del U-235 empobrecido que queda. Esto generalmente se hace con centrífugas que giran lo suficientemente rápido como para permitir que la diferencia de masa del 1% en los isótopos de uranio se separe. Luego se usa un láser para enriquecer el compuesto de hexafluoruro. El paso final consiste en reconvertir el compuesto ahora enriquecido en óxido de uranio, dejando el producto final: óxido de uranio enriquecido. Esta forma de UO 2 ahora puede usarse en reactores de fisión dentro de centrales eléctricas para producir energía.

Productos de reacción de fisión

Cuando un átomo fisionable sufre una fisión nuclear, se rompe en dos o más fragmentos de fisión. Además, se emiten varios neutrones libres, rayos gamma y neutrinos , y se libera una gran cantidad de energía. La suma de las masas en reposo de los fragmentos de fisión y los neutrones expulsados ​​es menor que la suma de las masas en reposo del átomo original y el neutrón incidente (por supuesto, los fragmentos de fisión no están en reposo). La diferencia de masa se tiene en cuenta en la liberación de energía según la ecuación E=Δmc 2 :

masa de energía liberada =

Debido al valor extremadamente grande de la velocidad de la luz , c , una pequeña disminución de la masa está asociada con una enorme liberación de energía activa (por ejemplo, la energía cinética de los fragmentos de fisión). Esta energía (en forma de radiación y calor) transporta la masa faltante cuando sale del sistema de reacción (la masa total, como la energía total, siempre se conserva ). Mientras que las reacciones químicas típicas liberan energías del orden de unos pocos eV (p. ej., la energía de unión del electrón al hidrógeno es de 13,6 eV), las reacciones de fisión nuclear suelen liberar energías del orden de cientos de millones de eV.

A continuación se muestran dos reacciones de fisión típicas con valores promedio de energía liberada y número de neutrones expulsados:

Tenga en cuenta que estas ecuaciones son para fisiones causadas por neutrones (térmicos) de movimiento lento. La energía promedio liberada y el número de neutrones expulsados ​​es una función de la velocidad del neutrón incidente. Además, tenga en cuenta que estas ecuaciones excluyen la energía de los neutrinos ya que estas partículas subatómicas son extremadamente no reactivas y, por lo tanto, rara vez depositan su energía en el sistema.

Escalas de tiempo de las reacciones nucleares en cadena

Vida útil rápida de neutrones

El tiempo de vida del neutrón inmediato , l , es el tiempo promedio entre la emisión de neutrones y su absorción en el sistema o su escape del sistema. Los neutrones que se producen directamente de la fisión se denominan " neutrones rápidos ", y los que son el resultado de la desintegración radiactiva de los fragmentos de fisión se denominan " neutrones retardados ". El término vida útil se usa porque la emisión de un neutrón a menudo se considera su "nacimiento" y la absorción posterior se considera su "muerte". Para los reactores de fisión térmicos (de neutrones lentos), la vida útil típica de los neutrones rápidos es del orden de 10 −4 segundos, y para los reactores de fisión rápida, la vida útil de los neutrones rápidos es del orden de 10 −7 segundos. Estas vidas extremadamente cortas significan que en 1 segundo, pueden pasar de 10,000 a 10,000,000 vidas de neutrones. El promedio de vida útil de los neutrones rápidos (también denominado adjunto no ponderado ) tiene en cuenta todos los neutrones rápidos, independientemente de su importancia en el núcleo del reactor; el tiempo de vida efectivo del neutrón rápido (denominado como el adjunto ponderado sobre el espacio, la energía y el ángulo) se refiere a un neutrón con una importancia media.

Tiempo medio de generación

El tiempo medio de generación , Λ, es el tiempo medio desde la emisión de un neutrón hasta una captura que da lugar a la fisión. El tiempo medio de generación es diferente del tiempo de vida del neutrón instantáneo porque el tiempo medio de generación solo incluye las absorciones de neutrones que conducen a reacciones de fisión (no a otras reacciones de absorción). Los dos tiempos están relacionados por la siguiente fórmula:

En esta fórmula, k es el factor de multiplicación de neutrones efectivo, que se describe a continuación.

Factor de multiplicación de neutrones efectivo

El factor de multiplicación de neutrones efectivo de la fórmula de seis factores , k , es el número promedio de neutrones de una fisión que causan otra fisión. Los neutrones restantes se absorben en reacciones que no son de fisión o abandonan el sistema sin ser absorbidos. El valor de k determina cómo procede una reacción nuclear en cadena:

  • k < 1 ( subcriticidad ): el sistema no puede sostener una reacción en cadena, y cualquier comienzo de una reacción en cadena se extingue con el tiempo. Por cada fisión que se induce en el sistema, se produce un promedio total de 1/(1 −  k ) fisiones. Los reactores subcríticos propuestos aprovechan el hecho de que una reacción nuclear sostenida por una fuente de neutrones externa puede "apagarse" cuando se retira la fuente de neutrones. Esto proporciona un cierto grado de seguridad inherente .
  • k = 1 ( criticidad ): cada fisión provoca un promedio de una fisión más, lo que lleva a un nivel de fisión (y potencia) que es constante. Las plantas de energía nuclear operan con k = 1 a menos que se aumente o disminuya el nivel de potencia.
  • k > 1 ( supercriticidad ): por cada fisión en el material, es probable que haya " k " fisiones después del siguiente tiempo medio de generación (Λ). El resultado es que el número de reacciones de fisión aumenta exponencialmente, según la ecuación , donde t es el tiempo transcurrido. Las armas nucleares están diseñadas para operar bajo este estado. Hay dos subdivisiones de supercriticidad: rápida y retardada.

Al describir la cinética y la dinámica de los reactores nucleares, y también en la práctica de la operación del reactor, se utiliza el concepto de reactividad, que caracteriza la desviación del reactor del estado crítico: ρ = ( k  − 1)/ k . InHour (del inverso de una hora , a veces abreviado ih o inhr) es una unidad de reactividad de un reactor nuclear.

En un reactor nuclear, k en realidad oscilará de un poco menos de 1 a un poco más de 1, debido principalmente a los efectos térmicos (a medida que se produce más energía, las barras de combustible se calientan y, por lo tanto, se expanden, lo que reduce su relación de captura y, por lo tanto, hace que k disminuya ). ). Esto deja el valor promedio de k exactamente en 1. Los neutrones retardados juegan un papel importante en la sincronización de estas oscilaciones.

En un medio infinito, el factor de multiplicación puede describirse mediante la fórmula de cuatro factores ; en un medio no infinito, el factor de multiplicación puede describirse mediante la fórmula de seis factores.

Supercriticidad rápida y retardada

No todos los neutrones se emiten como producto directo de la fisión; en cambio, algunos se deben a la descomposición radiactiva de algunos de los fragmentos de fisión. Los neutrones que se producen directamente de la fisión se denominan "neutrones rápidos", y los que son el resultado de la desintegración radiactiva de los fragmentos de fisión se denominan "neutrones retardados". La fracción de neutrones que se retrasan se llama β, y esta fracción suele ser menos del 1% de todos los neutrones en la reacción en cadena.

Los neutrones retardados permiten que un reactor nuclear responda varios órdenes de magnitud más lentamente de lo que lo harían solos los neutrones rápidos. Sin neutrones retardados, los cambios en las tasas de reacción en los reactores nucleares ocurrirían a velocidades que son demasiado rápidas para que las controlen los humanos.

La región de supercriticidad entre k = 1 y k = 1/(1 − β) se conoce como supercriticidad retardada (o criticidad retardada ). Es en esta región donde operan todos los reactores de energía nuclear. La región de supercriticidad para k > 1/(1 − β) se conoce como supercriticidad rápida (o criticidad rápida ), que es la región en la que operan las armas nucleares.

El cambio en k necesario para pasar de crítico a crítico rápido se define como un dólar .

Aplicación de armas nucleares de multiplicación de neutrones.

Las armas de fisión nuclear requieren una masa de combustible fisionable que es rápidamente supercrítica.

Para una masa dada de material fisible, el valor de k se puede aumentar aumentando la densidad. Dado que la probabilidad por distancia recorrida de que un neutrón colisione con un núcleo es proporcional a la densidad del material, aumentar la densidad de un material fisionable puede aumentar k . Este concepto se utiliza en el método de implosión para armas nucleares. En estos dispositivos, la reacción nuclear en cadena se inicia tras aumentar la densidad del material fisionable con un explosivo convencional.

En el arma de fisión tipo pistola , dos piezas subcríticas de combustible se unen rápidamente. El valor de k para una combinación de dos masas siempre es mayor que el de sus componentes. La magnitud de la diferencia depende de la distancia, así como de la orientación física.

El valor de k también se puede aumentar utilizando un reflector de neutrones que rodee el material fisionable.

Una vez que la masa de combustible es rápidamente supercrítica, la potencia aumenta exponencialmente. Sin embargo, el aumento de potencia exponencial no puede continuar por mucho tiempo ya que k disminuye cuando la cantidad de material de fisión que queda disminuye (es decir, es consumido por las fisiones). Además, se espera que la geometría y la densidad cambien durante la detonación, ya que el material de fisión restante se desgarra por la explosión.

predetonación

Si dos piezas de material subcrítico no se juntan lo suficientemente rápido, puede ocurrir una predetonación nuclear, por lo que una explosión más pequeña de lo esperado hará estallar la mayor parte del material. Ver Fizzle (prueba nuclear)

La detonación de un arma nuclear implica llevar el material fisionable a su estado supercrítico óptimo muy rápidamente. Durante parte de este proceso, el ensamblaje es supercrítico, pero aún no está en un estado óptimo para una reacción en cadena. Los neutrones libres, en particular de las fisiones espontáneas , pueden hacer que el dispositivo sufra una reacción en cadena preliminar que destruya el material fisionable antes de que esté listo para producir una gran explosión, lo que se conoce como predetonación .

Para mantener baja la probabilidad de predetonación, se minimiza la duración del período de ensamblaje no óptimo y se utilizan materiales fisionables y de otro tipo que tienen bajas tasas de fisión espontánea. De hecho, la combinación de materiales tiene que ser tal que sea improbable que haya una sola fisión espontánea durante el período de ensamblaje supercrítico. En particular, el método de la pistola no se puede utilizar con plutonio (ver diseño de armas nucleares ).

Centrales nucleares y control de reacciones en cadena

Las reacciones en cadena naturalmente dan lugar a velocidades de reacción que crecen (o se reducen) exponencialmente , mientras que un reactor de energía nuclear debe poder mantener la velocidad de reacción razonablemente constante. Para mantener este control, la criticidad de la reacción en cadena debe tener una escala de tiempo lo suficientemente lenta como para permitir la intervención de efectos adicionales (p. ej., barras de control mecánicas o expansión térmica). En consecuencia, todos los reactores de energía nuclear (incluso los reactores de neutrones rápidos ) dependen de los neutrones retardados para su criticidad. Un reactor de potencia nuclear en funcionamiento fluctúa entre ser levemente subcrítico y levemente supercrítico retrasado, pero siempre debe permanecer por debajo del crítico inmediato.

Es imposible que una planta de energía nuclear sufra una reacción nuclear en cadena que resulte en una explosión de poder comparable con un arma nuclear, pero incluso explosiones de baja potencia debido a reacciones en cadena incontroladas (eso se consideraría "esfumado" en una bomba) aún puede causar daños considerables y fusión en un reactor. Por ejemplo, el desastre de Chernobyl involucró una reacción en cadena desbocada, pero el resultado fue una explosión de vapor de baja potencia debido a la liberación relativamente pequeña de calor, en comparación con una bomba. Sin embargo, el complejo del reactor fue destruido por el calor, así como por la quema ordinaria del grafito expuesto al aire. Tales explosiones de vapor serían típicas del ensamblaje muy difuso de materiales en un reactor nuclear , incluso en las peores condiciones.

Además, se pueden tomar otras medidas por seguridad. Por ejemplo, las plantas de energía con licencia en los Estados Unidos requieren un coeficiente de reactividad de vacío negativo (esto significa que si se elimina el refrigerante del núcleo del reactor, la reacción nuclear tenderá a apagarse, no a aumentar). Esto elimina la posibilidad del tipo de accidente que ocurrió en Chernobyl (que se debió a un coeficiente de vacío positivo). Sin embargo, los reactores nucleares todavía son capaces de causar explosiones más pequeñas incluso después de un cierre completo, como fue el caso del desastre nuclear de Fukushima Daiichi . En tales casos, el calor de desintegración residual del núcleo puede causar altas temperaturas si hay pérdida de flujo de refrigerante, incluso un día después de que se haya detenido la reacción en cadena (consulte SCRAM ). Esto puede causar una reacción química entre el agua y el combustible que produce gas hidrógeno, que puede explotar después de mezclarse con el aire, con graves consecuencias de contaminación, ya que el material de la barra de combustible aún puede estar expuesto a la atmósfera a causa de este proceso. Sin embargo, tales explosiones no ocurren durante una reacción en cadena, sino como resultado de la energía de la desintegración beta radiactiva , después de que se detiene la reacción en cadena de fisión.

Ver también

Referencias

enlaces externos