Una reacción nuclear en cadena se produce cuando una sola reacción nuclear provoca un promedio de una o más reacciones nucleares posteriores, lo que conduce a la posibilidad de una serie de estas reacciones que se autopropaga. La reacción nuclear específica puede ser la fisión de isótopos pesados (p. Ej., Uranio-235 , 235 U). La reacción en cadena nuclear 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 entendieron razonablemente bien antes de que se propusieran las reacciones nucleares en cadena. [1] Se entendió que las reacciones químicas en cadena eran responsables del aumento exponencial de las tasas de reacciones, como las producidas en las explosiones químicas.
El concepto de reacción nuclear en cadena fue supuestamente formulado por primera vez por el científico húngaro Leó Szilárd el 12 de septiembre de 1933. [2] Szilárd esa mañana había estado leyendo en un artículo de Londres de 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 impedían su uso para la generación de energía. Sin embargo, el neutrón había sido descubierto en 1932, poco antes, como producto de una reacción nuclear. Szilárd, que se había formado como ingeniero y físico, reunió 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 perpetuaba a sí misma. -reacción, produciendo espontáneamente nuevos isótopos y potencia sin necesidad de protones ni de un acelerador. Sin embargo, Szilárd no propuso la fisión como el mecanismo de su reacción en cadena, ya que la reacción de fisión aún no se había descubierto, ni siquiera se sospechaba. 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. [3]
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 [4] y explicada teóricamente en enero de 1939 por Lise Meitner y su sobrino Otto Robert Frisch . [5] Unos meses más tarde, Frédéric Joliot-Curie , H. Von Halban y L. Kowarski en París [6] buscaron y descubrieron la multiplicación de neutrones en el uranio, demostrando que era posible una reacción en cadena nuclear por este mecanismo.
El 4 de mayo de 1939, Joliot-Curie, Halban y Kowarski presentaron tres patentes. Los dos primeros describieron la producción de energía a partir de una reacción en cadena nuclear, el último llamado Perfectionnement aux charge explosives fue la primera patente para la bomba atómica y está registrada como patente No. 445686 por la Caisse nationale de Recherche Scientifique . [7]
Paralelamente, Szilárd y Enrico Fermi en Nueva York hicieron el mismo análisis. [8] Este descubrimiento provocó 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 . [9]
El 2 de diciembre de 1942, un equipo dirigido por Fermi (incluido Szilárd) produjo la primera reacción en cadena nuclear artificial autosuficiente con el reactor experimental Chicago Pile-1 (CP-1) en una cancha de raquetas debajo de las gradas de Stagg Field en la Universidad de Chicago . Los experimentos de Fermi de la Universidad de Chicago eran parte de Arthur H. Compton 's Metalúrgica Laboratorio del Proyecto Manhattan ; Posteriormente, el laboratorio pasó a llamarse Laboratorio Nacional Argonne y se le encomendó la tarea de realizar investigaciones para aprovechar la fisión para la energía nuclear. [10]
En 1956, Paul Kuroda de la Universidad de Arkansas postuló que pudo haber existido alguna vez un reactor de fisión natural. Dado que las reacciones en cadena nucleares pueden requerir solo materiales naturales (como agua y uranio, si el uranio tiene cantidades suficientes de 235 U), era posible que estas reacciones en cadena ocurrieran en un 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. La predicción de Kuroda se verificó con el descubrimiento de evidencia de reacciones nucleares en cadena autosostenibles naturales en el pasado en Oklo en Gabón en septiembre de 1972. [11]
Reacción en cadena de fisión
Las reacciones en cadena de fisión ocurren debido a interacciones entre neutrones e isótopos fisionables (como 235 U). La reacción en cadena requiere tanto la liberación de neutrones de los isótopos fisionables que sufren fisión nuclear como la posterior absorción de algunos de estos neutrones en isótopos fisionables. Cuando un átomo sufre una fisión nuclear, algunos neutrones (el número exacto depende de factores incontrolables e inconmensurables; el número esperado depende de varios factores, generalmente entre 2,5 y 3,0) son expulsados de la reacción. Estos neutrones libres interactuarán con el medio circundante y, si hay más combustible fisible, algunos pueden ser absorbidos y causar más fisiones. Por lo tanto, el ciclo se repite para dar una reacción que es autosuficiente.
Las plantas de energía nuclear operan controlando con precisión la velocidad a la que ocurren 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 dará lugar a una liberación de energía explosiva.
Combustible de fisión nuclear
Las armas nucleares emplean combustible de alta calidad y altamente enriquecido que excede el tamaño y la geometría críticos ( masa crítica ) necesarios para obtener una reacción en cadena explosiva. El combustible para fines energéticos, como en un reactor de fisión nuclear, es muy diferente, y generalmente consiste 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. [12] 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. [13] El U-235 no se puede utilizar como combustible en su forma básica 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 de cerámica, que posteriormente se pueden colocar en barras de combustible. Aquí 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 lenta de neutrones. Este isótopo se forma dentro de los reactores nucleares al exponer el U-238 a los neutrones liberados por el isótopo radiactivo U-235. [14] Esta captura de neutrones provoca la desintegración de partículas beta que permite al U-238 transformarse en Pu-239. El plutonio se encontraba 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.
Proceso de enriquecimiento
El isótopo fisible uranio-235 en su estado natural no es apto para 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 el uranio comienza convirtiendo el óxido de uranio (creado mediante el proceso de molienda del uranio) en forma gaseosa. Este gas se conoce como hexafluoruro de uranio, que se crea combinando fluoruro de hidrógeno, gas de 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 cilindros de metal fuerte donde se solidifica. El siguiente paso es separar el hexafluoruro de uranio del U-235 empobrecido que queda. Por lo general, esto se hace con centrifugadoras 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 nuevamente en óxido de uranio, dejando el producto final: óxido de uranio enriquecido. Esta forma de UO 2 ahora se puede utilizar 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 del 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 en la masa se asocia con una tremenda 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 (por ejemplo, la energía de unión del electrón al hidrógeno es 13,6 eV), las reacciones de fisión nuclear normalmente liberan 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:
- [15]
Tenga en cuenta que estas ecuaciones son para fisiones causadas por neutrones de movimiento lento (térmicos). La energía media liberada y el número de neutrones expulsados es función de la velocidad del neutrón incidente. [15] 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 reacciones nucleares en cadena
Rápida vida útil de los neutrones
La vida útil inmediata de los neutrones , l , es el tiempo promedio entre la emisión de neutrones y su absorción en el sistema o su escape del sistema. [16] Los neutrones que se producen directamente a partir 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 se utiliza porque la emisión de un neutrón a menudo se considera su "nacimiento" y la absorción subsiguiente se considera su "muerte". Para los reactores de fisión térmica (neutrones lentos), la vida útil típica de los neutrones rápidos es del orden de 10 a 4 segundos, y para los reactores de fisión rápida, la vida útil de los neutrones rápidos es del orden de 10 a 7 segundos. [15] Estas vidas extremadamente cortas significan que en 1 segundo, pueden pasar de 10,000 a 10,000,000 de vidas de neutrones. La vida media de los neutrones rápidos (también denominada no ponderada adjunta ) tiene en cuenta todos los neutrones rápidos, independientemente de su importancia en el núcleo del reactor; el tiempo de vida efectivo del neutrón rápido (conocido como el adjunto ponderado sobre el espacio, la energía y el ángulo) se refiere a un neutrón con importancia promedio. [17]
Tiempo medio de generación
El tiempo medio de generación , Λ, es el tiempo medio desde una emisión de neutrones hasta una captura que da como resultado la fisión. [15] El tiempo medio de generación es diferente del tiempo de vida de los neutrones inmediatos porque el tiempo medio de generación solo incluye las absorciones de neutrones que conducen a reacciones de fisión (no 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 en cadena nuclear:
- 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 total promedio de 1 / (1 - k ) fisiones.
- k = 1 ( criticidad ): cada fisión provoca un promedio de una fisión más, lo que lleva a un nivel de fisión (y potencia) constante. Las plantas de energía nuclear funcionan con k = 1 a menos que se aumente o disminuya el nivel de potencia.
- k > 1 ( supercriticidad ): Para cada fisión en el material, es probable que haya " k " fisiones después del tiempo de generación medio siguiente (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 en este estado. Hay dos subdivisiones de supercriticidad: pronta y retrasada.
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 desde el estado crítico: ρ = ( k - 1) / k . InHour (de la inversa 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 efectos térmicos (a medida que se produce más energía, las barras de combustible se calientan y, por lo tanto, se expanden, disminuyendo su tasa de captura y, por lo tanto, conduciendo k más ). Esto deja el valor medio 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 pronta y retrasada
No todos los neutrones se emiten como producto directo de la fisión; algunos, en cambio, se deben a la desintegración radiactiva de algunos de los fragmentos de fisión. Los neutrones que se producen directamente a partir 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 retrasa se llama β, y esta fracción suele ser menos del 1% de todos los neutrones en la reacción en cadena. [15]
Los neutrones retardados permiten que un reactor nuclear responda varios órdenes de magnitud más lentamente de lo que lo harían los neutrones rápidos por sí solos. [16] Sin neutrones retardados, los cambios en las velocidades 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 ). En esta región funcionan todos los reactores nucleares. La región de supercriticidad para k > 1 / (1 - β) se conoce como supercriticidad inmediata (o criticidad inmediata ), que es la región en la que operan las armas nucleares.
El cambio en k necesario para pasar de crítico a crítico inmediato se define como un dólar .
Aplicación de armas nucleares de la multiplicación de neutrones
Las armas de fisión nuclear requieren una masa de combustible fisible que es rápidamente supercrítica.
Para una masa dada de material fisionable, el valor de k puede incrementarse aumentando la densidad. Dado que la probabilidad por distancia recorrida de que un neutrón choque con un núcleo es proporcional a la densidad del material, aumentar la densidad de un material fisible puede aumentar k . Este concepto se utiliza en el método de implosión para armas nucleares. En estos dispositivos, la reacción en cadena nuclear comienza después de aumentar la densidad del material fisible con un explosivo convencional.
En el arma de fisión tipo pistola , dos piezas de combustible subcríticas se unen rápidamente. El valor de k para una combinación de dos masas es siempre 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 fisible.
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
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 fisiones espontáneas , pueden hacer que el dispositivo experimente una reacción en cadena preliminar que destruya el material fisible antes de que esté listo para producir una gran explosión, lo que se conoce como predetonación . [18]
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 poco probable que haya una sola fisión espontánea durante el período de ensamblaje supercrítico. En particular, el método del arma 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 encogen) exponencialmente , mientras que un reactor de energía nuclear necesita 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 (por ejemplo, barras de control mecánico 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 energía nuclear en funcionamiento fluctúa entre ser levemente subcrítico y levemente retrasado-supercrítico, pero siempre debe permanecer por debajo del nivel crítico inmediato.
Es imposible que una planta de energía nuclear sufra una reacción en cadena nuclear que resulte en una explosión de energía comparable con un arma nuclear, pero incluso explosiones de baja potencia debido a reacciones en cadena incontroladas (que se considerarían "fallas" en una bomba) aún puede causar daños considerables y derretimiento en un reactor. Por ejemplo, el desastre de Chernobyl involucró una reacción en cadena descontrolada, 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 combustión ordinaria del grafito expuesto al aire. [16] 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 vacío negativo (esto significa que si se elimina el agua 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 nulidad 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 residual de desintegración del núcleo puede causar altas temperaturas si hay pérdida de flujo de refrigerante, incluso un día después de que se haya interrumpido la reacción en cadena (consulte SCRAM ). Esto puede provocar una reacción química entre el agua y el combustible que produce hidrógeno gaseoso, que puede explotar después de mezclarse con el aire, con graves consecuencias de contaminación, ya que el material de las barras de combustible aún puede estar expuesto a la atmósfera debido a este proceso. Sin embargo, tales explosiones no ocurren durante una reacción en cadena, sino como resultado de la energía de la desintegración beta radiactiva , una vez que se ha detenido la reacción en cadena de fisión.
Ver también
- Cadena protón-protón
- Accidente de criticidad
- Seguridad de la criticidad nuclear
- Física nuclear
- Física del reactor nuclear
Referencias
- ^ Vea esta conferencia del Nobel de 1956 para conocer la historia de la reacción en cadena en química
- ^ Jogalekar, Ashutosh. "Leo Szil rd, un semáforo y un trozo de historia nuclear" . Scientific American . Consultado el 4 de enero de 2016 .
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enlaces externos
- Animación de reacción en cadena nuclear
- Bibliografía comentada sobre reacciones nucleares en cadena de la Biblioteca digital Alsos
- Simulación estocástica de Java de la reacción en cadena nuclear por Wolfgang Bauer