En ingeniería nuclear , un neutrón rápido es un neutrón emitido inmediatamente ( emisión de neutrones ) por un evento de fisión nuclear , a diferencia de una desintegración neutrónica retardada que puede ocurrir dentro del mismo contexto, emitida después de la desintegración beta de uno de los productos de fisión en cualquier momento de un unos milisegundos a unos minutos más tarde.
Neutrones rápidos emergen de la fisión de un inestable fisionable o fisionable núcleo pesado de forma casi instantánea. Existen diferentes definiciones de cuánto tiempo tarda en emerger un neutrón rápido. Por ejemplo, el Departamento de Energía de los Estados Unidos define un neutrón rápido como un neutrón que nace de la fisión entre 10 y 13 segundos después del evento de fisión. [1] La Comisión Reguladora Nuclear de EE. UU. Define un neutrón rápido como un neutrón que emerge de la fisión en 10-14 segundos. [2] Esta emisión está controlada por la fuerza nuclear.y es extremadamente rápido. Por el contrario, los llamados neutrones retardados se retrasan por el retardo asociado con la desintegración beta (mediada por la fuerza débil ) al nucleido precursor excitado, después de lo cual la emisión de neutrones ocurre en una escala de tiempo rápida (es decir, casi inmediatamente).
Principio
Usando el uranio-235 como ejemplo, este núcleo absorbe un neutrón térmico , y los productos de masa inmediatos de un evento de fisión son dos grandes fragmentos de fisión, que son remanentes del núcleo de uranio-236 formado. Estos fragmentos emiten dos o tres neutrones libres (2,5 de media), llamados prontas neutrones. Un fragmento de fisión posterior ocasionalmente se somete a una etapa de desintegración radiactiva que produce un neutrón adicional, llamado neutrón retardado . Estos fragmentos de fisión emisores de neutrones se denominan átomos precursores de neutrones retardados .
Los neutrones retardados están asociados con la desintegración beta de los productos de fisión. Después de la rápida emisión de neutrones de fisión, los fragmentos residuales todavía son ricos en neutrones y experimentan una cadena de desintegración beta. Cuanto más rico en neutrones sea el fragmento, más enérgica y más rápida será la desintegración beta. En algunos casos, la energía disponible en la desintegración beta es lo suficientemente alta como para dejar el núcleo residual en un estado tan excitado que se produce una emisión de neutrones en lugar de una emisión gamma .
Datos de neutrones retardados para la fisión térmica en uranio-235 [3] [4]
Grupo | Vida media (s) | Constante de decaimiento (s −1 ) | Energía (keV) | Fracción | Rendimiento de neutrones retardados | |
---|---|---|---|---|---|---|
de todas las fisiones | de este grupo | |||||
1 | 55,72 | 0.0124 | 250 | 0,000 215 | 0,000 52 | 2.4 |
2 | 22,72 | 0.0305 | 560 | 0,001 424 | 0,00 3 46 | 2.4 |
3 | 6.22 | 0,111 | 405 | 0,001 274 | 0,003 10 | 2.4 |
4 | 2.30 | 0.301 | 450 | 0,002 568 | 0,006 24 | 2.4 |
5 | 0,614 | 1,14 | - | 0,000 748 | 0,001 82 | 2.4 |
6 | 0,230 | 3,01 | - | 0,000 273 | 0,000 66 | 2.4 |
Suma | 0,006 5 | 0,015 8 | 2.4 |
Importancia en la investigación básica de la fisión nuclear
La desviación estándar de la distribución de energía cinética final en función de la masa de los fragmentos finales de la fisión de baja energía del uranio 234 y uranio 236, presenta un pico alrededor de la región de masas de fragmentos ligeros y otro en la región de masas de fragmentos pesados. La simulación por el método de Monte Carlo de estos experimentos sugiere que esos picos son producidos por una rápida emisión de neutrones. [5] [6] [7] [8] Este efecto de emisión rápida de neutrones no proporciona una masa primaria ni una distribución cinética que es importante para estudiar la dinámica de fisión desde el punto de asiento hasta el punto de escisión.
Importancia en los reactores nucleares
Si un reactor nuclear llegara a ser rápidamente crítico , incluso muy levemente, la cantidad de neutrones y la producción de energía aumentaría exponencialmente a un ritmo elevado. El tiempo de respuesta de los sistemas mecánicos, como las barras de control, es demasiado lento para moderar este tipo de sobretensión. El control del aumento de potencia se dejaría entonces a sus factores intrínsecos de estabilidad física, como la dilatación térmica del núcleo o el aumento de las absorciones de resonancia de neutrones, que generalmente tienden a disminuir la reactividad del reactor cuando aumenta la temperatura; pero el reactor correría el riesgo de resultar dañado o destruido por el calor.
Sin embargo, gracias a los neutrones retardados, es posible dejar el reactor en un estado subcrítico en lo que solo se refiere a los neutrones rápidos: los neutrones retardados llegan un momento después, justo a tiempo para sostener la reacción en cadena cuando va a morir. fuera. En ese régimen, la producción de neutrones en general todavía crece exponencialmente, pero en una escala de tiempo que se rige por la producción retardada de neutrones, que es lo suficientemente lenta como para ser controlada (al igual que una bicicleta inestable puede equilibrarse porque los reflejos humanos son lo suficientemente rápidos en la escala temporal de su inestabilidad). Por lo tanto, al ampliar los márgenes de no operación y supercriticidad y permitir más tiempo para regular el reactor, los neutrones retardados son esenciales para la seguridad inherente del reactor e incluso en reactores que requieren control activo.
Definiciones de fracciones
El factor β se define como:
y es igual a 0,0064 para U-235.
La fracción de neutrones retardados (DNF) se define como:
Estos dos factores, β y DNF , no son lo mismo en caso de un cambio rápido en el número de neutrones en el reactor.
Otro concepto es la fracción efectiva de neutrones retardados , que es la fracción de neutrones retardados ponderados (sobre el espacio, la energía y el ángulo) en el flujo de neutrones adjunto. Este concepto surge porque los neutrones retardados se emiten con un espectro de energía más termalizado en relación con los neutrones rápidos. Para combustible de uranio poco enriquecido que trabaja en un espectro de neutrones térmicos, la diferencia entre las fracciones de neutrones retardados promedio y efectivo puede alcanzar 50 pcm (1 pcm = 1e-5). [9]
Ver también
Referencias
- ^ "Manual de fundamentos del DOE - Física nuclear y teoría de reactores" (PDF) , Manual de fundamentos del DOE - Física nuclear y teoría de reactores , DOE-HDBK-1019 / 1-93, Departamento de energía de Estados Unidos , enero de 1993, p. 29 (pág.133 del formato .pdf)
- ^ Mihalczo, John T. (19 de noviembre de 2004), "Detección de radiación de fisión" (PDF) , Detección de radiación de fisión , ORNL / TM-2004/234, Laboratorio Nacional de Oak Ridge , p. 1 (pág. 11 del formato .pdf)
- ^ Lamarsh, Introducción a la ingeniería nuclear
- ^ "Boletín del Servicio Geológico de Estados Unidos" . 1987.
- ^ R. Brissot, JP Boucquet, J. Crançon, CR Guet, HA Nifenecker. y Montoya, M., "Distribución de energía cinética para la fisión simétrica de 235U", Proc. de un Symp. En Phys. Y Chem. De Fisión, OIEA. Viena, 1980 (1979)
- ^ Montoya, M .; Saettone, E .; Rojas, J. (2007). "Efectos de la emisión de neutrones en la masa de fragmentos y distribución de energía cinética de la fisión inducida por neutrones térmicos de 235U". Actas de la conferencia AIP . 947 : 326–329. arXiv : 0711.0954 . doi : 10.1063 / 1.2813826 . S2CID 9831107 .
- ^ Montoya, M .; Saettone, E .; Rojas, J. (2007). "Simulación de Monte Carlo para la distribución de energía cinética y masa de fragmentos de la fisión inducida por neutrones de U 235" (PDF) . Revista Mexicana de Física . 53 (5): 366–370. arXiv : 0709.1123 . Código Bibliográfico : 2007RMxF ... 53..366M .
- ^ Montoya, M .; Rojas, J .; Lobato, I. "Efectos de la emisión de neutrones en la masa de los fragmentos finales y distribución de la energía cinética de la fisión de baja energía de U 234" (PDF) . Revista Mexicana de Física . 54 (6): 440. Archivado desde el original (PDF) el 2009-02-05 . Consultado el 20 de febrero de 2009 .
- ^ Análisis determinista y de Monte Carlo del ensamblaje subcrítico térmico de YALINA
enlaces externos
- Reactores nucleares híbridos: neutrones retardados
- Beta no es la fracción de neutrones retardados (población)