En ingeniería nuclear , la criticidad inmediata describe un evento de fisión nuclear en el que la criticidad (el umbral para una reacción en cadena de fisión nuclear en crecimiento exponencial) se logra solo con neutrones rápidos y no depende de neutrones retardados . Como resultado, la supercriticidad inmediata provoca un crecimiento mucho más rápido en la tasa de liberación de energía que otras formas de criticidad. Las armas nucleares se basan en una criticidad inmediata, mientras que los reactores nucleares dependen de neutrones retardados o neutrones externos para alcanzar la criticidad.
Un ensamblaje es crítico si cada evento de fisión causa, en promedio, exactamente un evento adicional de este tipo en una cadena continua. Una cadena de este tipo es una reacción en cadena de fisión autosostenida . Cuando un átomo de uranio -235 (U-235) sufre fisión nuclear , normalmente libera entre uno y siete neutrones (con una media de 2,4). En esta situación, un ensamblaje es crítico si cada neutrón liberado tiene una probabilidad de 1 / 2,4 = 0,42 = 42 % de causar otro evento de fisión en lugar de ser absorbido por un evento de captura no fisionable o escapar del núcleo fisionable.
El número promedio de neutrones que causan nuevos eventos de fisión se denomina factor de multiplicación de neutrones efectivos , generalmente denotado por los símbolos k-efectivo , k-eff o k . Cuando k-efectivo es igual a 1, el conjunto se llama crítico, si k-efectivo es menor que 1 el conjunto se dice subcrítico, y si k-efectivo es mayor que 1 el conjunto se llama supercrítico.
En un conjunto supercrítico, el número de fisiones por unidad de tiempo, N , junto con la producción de energía, aumenta exponencialmente con el tiempo. Su rapidez de crecimiento depende del tiempo promedio que tardan, T , los neutrones liberados en un evento de fisión en provocar otra fisión. La tasa de crecimiento de la reacción está dada por:
La mayoría de los neutrones liberados por un evento de fisión son los que se liberan en la propia fisión. Estos se llaman neutrones rápidos, golpean otros núcleos y causan fisiones adicionales en nanosegundos (el intervalo de tiempo promedio utilizado por los científicos en el Proyecto Manhattan fue de una sacudida , o 10 ns). Una pequeña fuente adicional de neutrones son los productos de fisión . Algunos de los núcleos resultantes de la fisión son isótopos radiactivos con vidas medias cortas , y las reacciones nucleares entre ellos liberan neutrones adicionales después de un largo retraso de hasta varios minutos después del evento de fisión inicial. Estos neutrones, que en promedio representan menos del uno por ciento del total de neutrones liberados por fisión, se denominan neutrones retardados. La escala de tiempo relativamente lenta en la que aparecen los neutrones retardados es un aspecto importante para el diseño de reactores nucleares, ya que permite controlar el nivel de potencia del reactor mediante el movimiento mecánico gradual de las barras de control. Normalmente, las barras de control contienen venenos de neutrones (sustancias, por ejemplo, boro o hafnio , que capturan fácilmente neutrones sin producir otros adicionales) como medio para alterar k-efectivo . Con la excepción de los reactores pulsados experimentales, los reactores nucleares están diseñados para funcionar en modo crítico retardado y están provistos de sistemas de seguridad para evitar que alcancen alguna vez la criticidad inmediata.
En un ensamblaje crítico retardado , los neutrones retardados son necesarios para hacer que k-efectivo sea mayor que uno. Así, el tiempo entre generaciones sucesivas de la reacción, T , está dominado por el tiempo que tardan en liberarse los neutrones retardados, del orden de segundos o minutos. Por lo tanto, la reacción aumentará lentamente, con un tiempo constante prolongado. Esto es lo suficientemente lento como para permitir que la reacción se controle con sistemas de control electromecánicos , como barras de control , y, en consecuencia, todos los reactores nucleares están diseñados para funcionar en el régimen de criticidad retardada.
Por el contrario, se dice que un conjunto crítico es rápido-crítico si es crítico ( k = 1 ) sin ninguna contribución de neutrones retardados y rápido-supercrítico si es supercrítico (la tasa de fisión crece exponencialmente, k > 1 ) sin ninguna contribución. de neutrones retardados. En este caso, el tiempo entre generaciones sucesivas de la reacción, T , está limitado únicamente por la velocidad de fisión de los neutrones impulsores, y el aumento de la reacción será extremadamente rápido, provocando una rápida liberación de energía en unos pocos milisegundos. Los conjuntos rápido-críticos se crean por diseño en armas nucleares y en algunos experimentos de investigación especialmente diseñados.
La diferencia entre un neutrón rápido y un neutrón retardado tiene que ver con la fuente desde la cual se liberó el neutrón al reactor. Los neutrones, una vez liberados, no tienen ninguna diferencia excepto la energía o la velocidad que se les ha impartido. Un arma nuclear depende en gran medida de la supercriticidad inmediata (para producir un pico de potencia elevado en una fracción de segundo), mientras que los reactores de energía nuclear utilizan la criticidad retardada para producir niveles de potencia controlables durante meses o años.
Para iniciar una reacción de fisión controlable, el conjunto debe tener un retardo crítico. En otras palabras, k debe ser mayor que 1 (supercrítico) sin cruzar el umbral crítico. En los reactores nucleares esto es posible debido al retraso de los neutrones. Como pasa algún tiempo antes de que se emitan estos neutrones después de un evento de fisión, es posible controlar la reacción nuclear utilizando barras de control.
Un reactor de estado estacionario (potencia constante) funciona de manera que resulta crítico debido a los neutrones retardados, pero no lo sería sin su contribución. Durante un aumento gradual y deliberado del nivel de potencia del reactor, el reactor se encuentra en estado supercrítico retardado. El aumento exponencial de la actividad del reactor es lo suficientemente lento como para permitir controlar el factor de criticidad, k , insertando o retirando varillas de material absorbente de neutrones. Utilizando movimientos cuidadosos de la barra de control, es posible lograr un núcleo de reactor supercrítico sin alcanzar un estado crítico rápido inseguro.
Una vez que una planta de reactor está funcionando a su nivel de potencia objetivo o de diseño, puede funcionar para mantener su condición crítica durante largos períodos de tiempo.
Los reactores nucleares pueden ser susceptibles a accidentes de criticidad inmediata si se produce un gran aumento de la reactividad (o k-eficaz ), por ejemplo, tras un fallo de sus sistemas de control y seguridad. Es probable que el rápido aumento incontrolable de la potencia del reactor en condiciones inmediatas críticas dañe irreparablemente el reactor y, en casos extremos, pueda romper la contención del reactor. Los sistemas de seguridad de los reactores nucleares están diseñados para evitar una criticidad inmediata y, para una defensa en profundidad , las estructuras de los reactores también proporcionan múltiples capas de contención como medida de precaución contra cualquier liberación accidental de productos de fisión radiactiva .
Con la excepción de los reactores de investigación y experimentales, se cree que sólo un pequeño número de accidentes de reactores han alcanzado una criticidad inmediata, por ejemplo Chernobyl #4 , el SL-1 del ejército estadounidense y el submarino soviético K-431 . En todos estos ejemplos, el aumento incontrolado de energía fue suficiente para provocar una explosión que destruyó cada reactor y liberó productos radiactivos de fisión a la atmósfera.
En Chernobyl en 1986, un efecto positivo de parada poco comprendido dio como resultado un núcleo de reactor sobrecalentado. Esto provocó la rotura de los elementos combustibles y las tuberías de agua, la vaporización del agua, una explosión de vapor y una fusión. Los niveles de potencia estimados antes del incidente sugieren que operaba por encima de los 30 GW, diez veces su producción térmica máxima de 3 GW. La tapa de la cámara del reactor, de 2.000 toneladas, fue levantada por la explosión de vapor. Dado que el reactor no estaba diseñado con un edificio de contención capaz de contener esta catastrófica explosión, el accidente liberó grandes cantidades de material radiactivo al medio ambiente.
En los otros dos incidentes, las plantas del reactor fallaron debido a errores durante una parada de mantenimiento que fue provocada por la retirada rápida y descontrolada de al menos una barra de control. El SL-1 era un prototipo de reactor destinado a ser utilizado por el ejército estadounidense en ubicaciones polares remotas. En la planta SL-1 en 1961, el reactor pasó de estar apagado a un estado crítico extrayendo manualmente demasiado la varilla de control central. A medida que el agua en el núcleo se convirtió rápidamente en vapor y se expandió (en sólo unos pocos milisegundos), la vasija del reactor de 26.000 libras (12.000 kg) saltó 9 pies 1 pulgada (2,77 m), dejando impresiones en el techo de arriba. [1] [2] Los tres hombres que realizaban el procedimiento de mantenimiento murieron a causa de las heridas. Se liberaron 1.100 curies de productos de fisión cuando se expulsaron partes del núcleo. Se necesitaron 2 años para investigar el accidente y limpiar el lugar. El exceso de reactividad inmediata del núcleo SL-1 se calculó en un informe de 1962: [3]
La fracción de neutrones retardados del SL-1 es del 0,70%... La evidencia concluyente reveló que la excursión del SL-1 fue causada por la retirada parcial de la barra de control central. Se ha estimado que la reactividad asociada con la retirada de 20 pulgadas de esta varilla es del 2,4% δk/k, que fue suficiente para inducir una criticidad inmediata y colocar el reactor en un período de 4 milisegundos.
En el accidente del reactor K-431 , 10 personas murieron durante una operación de reabastecimiento de combustible. La explosión del K-431 destruyó las salas de máquinas adyacentes y rompió el casco del submarino. En estas dos catástrofes, las plantas de los reactores pasaron de una parada total a niveles de potencia extremadamente altos en una fracción de segundo, dañando las plantas de los reactores sin posibilidad de reparación.
En una serie de reactores de investigación y pruebas se ha examinado deliberadamente el funcionamiento de una planta de reactor crítica inmediata. Los experimentos CRAC , KEWB, SPERT-I , Godiva y BORAX contribuyeron a esta investigación. Sin embargo, también se han producido muchos accidentes, principalmente durante la investigación y el procesamiento de combustible nuclear. SL-1 es la excepción notable.
La siguiente lista de excursiones de potencia crítica inmediatas está adaptada de un informe presentado en 2000 por un equipo de científicos nucleares estadounidenses y rusos que estudiaron los accidentes de criticidad , publicado por el Laboratorio Científico de Los Álamos, la ubicación de muchas de las excursiones. [4] Una excursión de potencia típica es de aproximadamente 1 x 10 17 fisiones.
En cambio, en el diseño de armas nucleares es esencial lograr una criticidad inmediata. De hecho, uno de los problemas de diseño que hay que superar al construir una bomba es comprimir los materiales fisibles lo suficiente como para lograr una criticidad inmediata antes de que la reacción en cadena tenga la posibilidad de producir suficiente energía para hacer que el núcleo se expanda demasiado. Por lo tanto, un buen diseño de bomba debe ganar la carrera hacia un núcleo crítico rápido y denso antes de que una reacción en cadena menos poderosa desmonte el núcleo sin permitir que una cantidad significativa de combustible se fisione (lo que se conoce como fizzle ) . Esto generalmente significa que las bombas nucleares necesitan que se preste especial atención a la forma en que se ensambla el núcleo, como el método de implosión inventado por Richard C. Tolman , Robert Serber y otros científicos de la Universidad de California, Berkeley, en 1942.
