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 de crecimiento exponencial) se logra solo con neutrones inmediatos y no depende de neutrones retardados . Como resultado, la supercriticidad inmediata causa un crecimiento mucho más rápido en la tasa de liberación de energía que otras formas de criticidad. Las armas nucleares se basan en la criticidad inmediata, mientras que los reactores nucleares dependen de neutrones retardados o neutrones externos para lograr la criticidad.
Un conjunto es crítico si cada evento de fisión causa, en promedio, exactamente un evento adicional de este tipo en una cadena continua. Dicha cadena es una reacción en cadena de fisión autosostenida . Cuando un átomo de uranio -235 (U-235) experimenta fisión nuclear , generalmente libera entre uno y siete neutrones (con un promedio de 2,4). En esta situación, un conjunto 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 que no sea de fisión o escapar del núcleo fisible.
El número medio de neutrones que provocan nuevos eventos de fisión se denomina factor de multiplicación de neutrones efectivo , que se suele denotar con los símbolos k-efectivo , k-efectivo o k . Cuando k-efectivo es igual a 1, el conjunto se denomina crítico, si k-efectivo es menor que 1, el conjunto se denomina subcrítico y si k-efectivo es mayor que 1, el conjunto se denomina 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. La velocidad de crecimiento depende del tiempo promedio que tardan, T , los neutrones liberados en un evento de fisión en causar otra fisión. La tasa de crecimiento de la reacción viene dada por:
La mayoría de los neutrones liberados por un evento de fisión son los liberados en la propia fisión. Estos se llaman neutrones rápidos, y golpean otros núcleos y causan fisiones adicionales en nanosegundos (un intervalo de tiempo promedio utilizado por los científicos en el Proyecto Manhattan fue 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 llaman 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 a través del movimiento mecánico gradual de las barras de control. Por lo general, las barras de control contienen venenos neutrónicos (sustancias, por ejemplo, boro o hafnio , que capturan neutrones fácilmente sin producir otros adicionales) como un medio para alterar el k-efectivo . Con la excepción de los reactores pulsados experimentales, los reactores nucleares están diseñados para operar en un modo crítico retardado y están provistos de sistemas de seguridad para evitar que alcancen alguna vez la criticidad rápida.
En un conjunto crítico retardado , los neutrones retardados son necesarios para que k-efectivo sea mayor que uno. Por lo tanto, 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 una constante de tiempo larga. 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 solo por la tasa de fisión de los neutrones rápidos, y el aumento de la reacción será extremadamente rápido, causando una liberación rápida de energía en unos pocos milisegundos. Los conjuntos rápido-críticos se crean por diseño en armas nucleares y algunos experimentos de investigación especialmente diseñados.
La diferencia entre un neutrón inmediato y un neutrón retardado tiene que ver con la fuente desde la que se ha liberado el neutrón en el 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 una alta potencia de pico en una fracción de segundo), mientras que los reactores nucleares utilizan la criticidad retardada para producir niveles de potencia controlables durante meses o años.
Para que se inicie una reacción de fisión controlable, el conjunto debe ser crítico en el tiempo, es decir, k debe ser mayor que 1 (supercrítico) sin cruzar el umbral crítico inmediato. En los reactores nucleares esto es posible gracias a los neutrones retardados. Como transcurre un 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 en estado estacionario (potencia constante) funciona de modo que sea 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 vuelve 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 barras de material absorbente de neutrones. Mediante el uso de movimientos cuidadosos de las barras de control, es posible lograr un núcleo de reactor supercrítico sin llegar a un estado crítico inmediato inseguro.
Una vez que una planta de reactor está operando a su nivel de potencia objetivo o de diseño, puede operarse 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-efectiva ), por ejemplo, tras un fallo de sus sistemas de control y seguridad. El aumento rápido e incontrolable de la potencia del reactor en condiciones de criticidad inmediata es probable que dañe irreparablemente el reactor y, en casos extremos, puede romper la contención del reactor. Los sistemas de seguridad de los reactores nucleares están diseñados para evitar la criticidad inmediata y, para la defensa en profundidad , las estructuras del reactor también proporcionan múltiples capas de contención como precaución contra cualquier liberación accidental de productos de fisión radiactivos .
Con excepción de los reactores experimentales y de investigación, se cree que sólo un pequeño número de accidentes de reactores alcanzaron 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 potencia fue suficiente para provocar una explosión que destruyó cada reactor y liberó productos de fisión radiactivos a la atmósfera.
En Chernóbil, en 1986, un efecto de parada de emergencia positivo poco comprendido provocó un sobrecalentamiento del núcleo del reactor, lo que provocó la ruptura de los elementos de combustible y las tuberías de agua, la vaporización del agua, una explosión de vapor y un incendio de grafito. Los niveles de potencia estimados antes del incidente sugieren que funcionaba a más de 30 GW, diez veces su potencia térmica máxima de 3 GW. La explosión de vapor levantó la tapa de la cámara del reactor, de 2000 toneladas. Como 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 de reactores fallaron debido a errores durante una parada de mantenimiento que fue causada por la remoción rápida e incontrolada de al menos una barra de control. El SL-1 era un reactor prototipo destinado a ser utilizado por el ejército de los EE. UU. en lugares polares remotos. En la planta SL-1 en 1961, el reactor pasó de apagado a estado crítico inmediato extrayendo manualmente demasiado la barra de control central. Como el agua en el núcleo se convirtió rápidamente en vapor y se expandió (en solo unos pocos milisegundos), el recipiente 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 realizaron el procedimiento de mantenimiento murieron a causa de las heridas. Se liberaron 1.100 curies de productos de fisión a medida que se expulsaban partes del núcleo. Se necesitaron 2 años para investigar el accidente y limpiar el sitio. 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. La reactividad asociada con la retirada de 20 pulgadas de esta barra se ha estimado en 2,4 % δk/k, lo que fue suficiente para inducir una criticidad inmediata y colocar al reactor en un período de 4 milisegundos.
En el accidente del reactor K-431 murieron 10 personas durante una operación de reabastecimiento de combustible. La explosión del reactor destruyó las salas de máquinas adyacentes y rompió el casco del submarino. En estas dos catástrofes, las plantas de los reactores pasaron de estar completamente apagadas a tener niveles de potencia extremadamente altos en una fracción de segundo, lo que provocó daños irreparables en las plantas de los reactores.
Se han llevado a cabo varios ensayos y reactores de investigación para examinar deliberadamente el funcionamiento de una planta de reactor crítico inmediato. 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 notable excepción.
La siguiente lista de excursiones de potencia crítica rápida es una adaptación de un informe presentado en 2000 por un equipo de científicos nucleares estadounidenses y rusos que estudiaron 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 en la construcción de una bomba es comprimir los materiales fisionables lo suficiente para lograr una criticidad inmediata antes de que la reacción en cadena tenga la oportunidad 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 denso y crítico inmediato antes de que una reacción en cadena menos potente desarme 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.
