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Material fisible

En ingeniería nuclear , el material fisible es un material que puede experimentar fisión nuclear cuando es golpeado por un neutrón de baja energía. [1] Una reacción en cadena térmica autosostenida solo se puede lograr con material fisible. La energía neutrónica predominante en un sistema puede estar caracterizada por neutrones lentos (es decir, un sistema térmico) o neutrones rápidos. El material fisible se puede utilizar para alimentar reactores de neutrones térmicos , reactores de neutrones rápidos y explosivos nucleares .

Fisible vs. fisionable

Según la regla de fisión de Ronen , [2] para un elemento pesado con 90  ≤  Z  ≤  100 , sus isótopos con 2 × Z − N = 43 ± 2 , con pocas excepciones, son fisionables (donde N = número de neutrones y Z = número de protones ). [3] [4] [nota 1]

El término fisible es distinto de fisionable . Un nucleido capaz de experimentar fisión nuclear (incluso con una baja probabilidad) después de capturar un neutrón de alta o baja energía [5] se denomina fisionable . Un nucleido fisionable que puede ser inducido a la fisión con neutrones térmicos de baja energía con una alta probabilidad se denomina fisible . [6] Los materiales fisionables incluyen aquellos (como el uranio-238 ) para los cuales la fisión puede ser inducida solo por neutrones de alta energía. Como resultado, los materiales fisionables (como el uranio-235 ) son un subconjunto de los materiales fisionables.

El uranio-235 se fisiona con neutrones térmicos de baja energía porque la energía de enlace resultante de la absorción de un neutrón es mayor que la energía crítica requerida para la fisión; por lo tanto, el uranio-235 es fisible. Por el contrario, la energía de enlace liberada por el uranio-238 al absorber un neutrón térmico es menor que la energía crítica, por lo que el neutrón debe poseer energía adicional para que la fisión sea posible. En consecuencia, el uranio-238 es fisionable pero no fisible. [7] [8]

Una definición alternativa define los nucleidos fisionables como aquellos nucleidos que pueden ser sometidos a fisión nuclear (es decir, son fisionables) y también producen neutrones a partir de dicha fisión que pueden sostener una reacción nuclear en cadena en el entorno correcto. Según esta definición, los únicos nucleidos que son fisionables pero no fisionables son aquellos nucleidos que pueden ser sometidos a fisión nuclear pero producen neutrones insuficientes, ya sea en energía o en número, para sostener una reacción nuclear en cadena . Como tal, mientras que todos los isótopos fisionables son fisionables, no todos los isótopos fisionables son fisionables. En el contexto del control de armamentos , particularmente en las propuestas para un Tratado de Prohibición de Material Fisionable , el término fisionable se utiliza a menudo para describir materiales que pueden utilizarse en la fisión primaria de un arma nuclear. [9] Estos son materiales que sostienen una reacción en cadena de fisión nuclear de neutrones rápidos explosiva .

Según todas las definiciones anteriores, el uranio-238 (238

) es fisionable, pero no fisible. Los neutrones producidos por la fisión de238

tienen energías más bajas que el neutrón original (se comportan como en una dispersión inelástica ), generalmente por debajo de 1  MeV (es decir, una velocidad de unos 14.000  km/s ), el umbral de fisión para provocar la fisión posterior de238

, por lo que la fisión de238

no sostiene una reacción nuclear en cadena .

Fisión rápida de238

En la etapa secundaria de un arma termonuclear, debido a la producción de neutrones de alta energía a partir de la fusión nuclear , contribuye en gran medida al rendimiento y la precipitación radiactiva de tales armas. La fisión rápida de238

También se han observado alteraciones en las armas de fisión pura. [10] La rápida fisión de238

También contribuye de manera significativa a la potencia de salida de algunos reactores de neutrones rápidos .

Nuclidos fisionables

En general, la mayoría de los isótopos actínidos con un número de neutrones impar son fisionables. La mayoría de los combustibles nucleares tienen un número de masa atómica impar ( A = Z + N = el número total de nucleones ) y un número atómico par Z. Esto implica un número impar de neutrones. Los isótopos con un número impar de neutrones ganan entre 1 y 2 MeV de energía extra al absorber un neutrón adicional, a partir del efecto de emparejamiento que favorece los números pares tanto de neutrones como de protones. Esta energía es suficiente para suministrar la energía adicional necesaria para la fisión por neutrones más lentos, lo que es importante para hacer que los isótopos fisionables también sean fisionables.

En términos más generales, los nucleidos con un número par de protones y un número par de neutrones, y ubicados cerca de una curva bien conocida en física nuclear de número atómico vs. número de masa atómica son más estables que otros; por lo tanto, es menos probable que experimenten fisión. Es más probable que "ignoren" el neutrón y lo dejen seguir su camino, o que absorban el neutrón pero sin ganar suficiente energía del proceso para deformar el núcleo lo suficiente como para que se físese. Estos isótopos "pares-pares" también tienen menos probabilidades de experimentar fisión espontánea , y también tienen vidas medias parciales relativamente mucho más largas para la desintegración alfa o beta . Ejemplos de estos isótopos son el uranio-238 y el torio-232 . Por otra parte, a excepción de los nucleidos más ligeros, los nucleidos con un número impar de protones y un número impar de neutrones ( Z impar, N impar ) suelen tener una vida media corta (una notable excepción es el neptunio-236, con una vida media de 154.000 años), porque se desintegran fácilmente por emisión de partículas beta en sus isóbaros con un número par de protones y un número par de neutrones ( Z par , N par ), volviéndose mucho más estables. La base física de este fenómeno también proviene del efecto de emparejamiento en la energía de enlace nuclear, pero esta vez del emparejamiento protón-protón y neutrón-neutrón. La vida media relativamente corta de estos isótopos pesados ​​impar-impares significa que no están disponibles en cantidad y son altamente radiactivos.

Combustible nuclear

Para ser un combustible útil para las reacciones en cadena de fisión nuclear, el material debe:

Los nucleidos fisionables en los combustibles nucleares incluyen:

Los nucleidos fisionables no tienen una probabilidad del 100% de sufrir fisión al absorber un neutrón. La probabilidad depende del nucleido y de la energía del neutrón. Para neutrones de energía baja y media, las secciones eficaces de captura de neutrones para fisión (σ F ), la sección eficaz para captura de neutrones con emisión de un rayo gammaγ ) y el porcentaje de no fisiones se muestran en la tabla de la derecha.

Los nucleidos fértiles en los combustibles nucleares incluyen:

Véase también

Notas

  1. ^ La regla fisible así formulada indica 33 isótopos como probablemente fisibles: Th-225, 227, 229; Pa-228, 230, 232; U-231, 233, 235; Np-234, 236, 238; Pu-237, 239, 241; Am-240, 242, 244; Cm-243, 245, 247; Bk-246, 248, 250; Cf-249, 251, 253; Es-252, 254, 256; Fm-255, 257, 259. Solo catorce (incluido un isómero nuclear metaestable de larga duración ) tienen vidas medias de al menos un año: Th-229, U-233, U-235, Np-236, Pu-239, Pu-241, Am-242m, Cm-243, Cm-245, Cm-247, Bk-248, Cf-249, Cf-251 y Es-252. De estos, solo el U-235 se produce de forma natural . Es posible criar U -233 y Pu-239 a partir de isótopos naturales más comunes (Th-232 y U-238 respectivamente) mediante captura de un solo neutrón . Los demás se producen típicamente en cantidades más pequeñas a través de una mayor absorción de neutrones .

Referencias

  1. ^ "NRC: Glosario - Material fisible". www.nrc.gov .
  2. ^ "Ciencia e ingeniería nuclear - ANS / Publicaciones / Revistas / Ciencia e ingeniería nuclear".
  3. ^ Ronen Y., 2006. Una regla para determinar isótopos fisionables. Nucl. Sci. Eng. , 152:3, páginas 334-335. [1]
  4. ^ Ronen, Y. (2010). "Algunas observaciones sobre los isótopos fisionables". Anales de la energía nuclear . 37 (12): 1783–1784. Código Bibliográfico :2010AnNuE..37.1783R. doi :10.1016/j.anucene.2010.07.006.
  5. ^ "NRC: Glosario - Material fisionable". www.nrc.gov .
  6. ^ "Diapositivas-Primera parte: Cinética". Red Universitaria de Excelencia en Ingeniería Nuclear UNENE . Consultado el 3 de enero de 2013 .
  7. ^ James J. Duderstadt y Louis J. Hamilton (1976). Análisis de reactores nucleares . John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-22363-8.
  8. ^ John R. Lamarsh y Anthony John Baratta (tercera edición) (2001). Introducción a la ingeniería nuclear . Prentice Hall. ISBN 0-201-82498-1.
  9. ^ Materiales fisibles y armas nucleares Archivado el 6 de febrero de 2012 en Wayback Machine , Panel Internacional sobre Materiales Fisibles
  10. ^ Semkow, Thomas; Parekh, Pravin; Haines, Douglas (2006). "Modelado de los efectos de la prueba Trinity". Modelado aplicado y cálculos en ciencia nuclear. Serie de simposios de la ACS. Vol. Serie de simposios de la ACS. págs. 142–159. doi :10.1021/bk-2007-0945.ch011. ISBN 9780841239821.
  11. ^ Más radio (elemento 88). Aunque en realidad es un subactínido, precede inmediatamente al actinio (89) y sigue un intervalo de inestabilidad de tres elementos después del polonio (84), donde ningún nucleido tiene una vida media de al menos cuatro años (el nucleido de vida más larga en el intervalo es el radón-222 con una vida media de menos de cuatro días ). El isótopo de vida más larga del radio, con 1.600 años, por lo tanto merece la inclusión del elemento aquí.
  12. ^ En concreto, a partir de la fisión de neutrones térmicos del uranio-235, por ejemplo, en un reactor nuclear típico .
  13. ^ Milsted, J.; Friedman, AM; Stevens, CM (1965). "La vida media alfa del berkelio-247; un nuevo isómero de larga vida del berkelio-248". Física nuclear . 71 (2): 299. Bibcode :1965NucPh..71..299M. doi :10.1016/0029-5582(65)90719-4.
    "Los análisis isotópicos revelaron una especie de masa 248 en abundancia constante en tres muestras analizadas durante un período de aproximadamente 10 meses. Esto se atribuyó a un isómero de Bk 248 con una vida media mayor de 9 [años]. No se detectó crecimiento de Cf 248 , y un límite inferior para la vida media β se puede establecer en aproximadamente 10 4 [años]. No se ha detectado actividad alfa atribuible al nuevo isómero; la vida media alfa es probablemente mayor de 300 [años]".
  14. ^ Se trata del nucleido más pesado, con una vida media de al menos cuatro años antes del " mar de inestabilidad ".
  15. ^ Excluyendo aquellos nucleidos " clásicamente estables " con vidas medias significativamente superiores a 232 Th; por ejemplo, mientras que el 113m Cd tiene una vida media de sólo catorce años, la del 113 Cd es de ocho cuatrillones de años.
  16. ^ "Gráfico interactivo de nucleidos". Brookhaven National Laboratory. Archivado desde el original el 24 de enero de 2017. Consultado el 12 de agosto de 2013 .