En física nuclear , una reacción nuclear en cadena ocurre cuando una sola reacción nuclear causa un promedio de una o más reacciones nucleares posteriores, lo que lleva a la posibilidad de una serie autopropagante o "bucle de retroalimentación positiva" de estas reacciones. La reacción nuclear específica puede ser la fisión de isótopos pesados (p. ej., uranio-235 , 235 U). Una reacción nuclear en cadena libera varios millones de veces más energía por reacción que cualquier reacción química .
Las reacciones químicas en cadena fueron propuestas por primera vez por el químico alemán Max Bodenstein en 1913, y se entendían 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 velocidades de las reacciones, como las producidas en las explosiones químicas.
Según se informa, el concepto de reacción nuclear en cadena fue formulado por primera vez por el científico húngaro Leó Szilárd el 12 de septiembre de 1933. [2] Szilárd había estado leyendo esa mañana en un periódico de Londres sobre 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 la suministrada por el protón. Ernest Rutherford comentó en el artículo que las ineficiencias en el proceso impidieron su uso para la generación de energía. Sin embargo, el neutrón había sido descubierto por James Chadwick 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 causaban otras reacciones nucleares similares, el proceso podría ser una cadena nuclear que se perpetúa a sí misma. -reacción, produciendo espontáneamente nuevos isótopos y energía sin necesidad de protones ni acelerador. Szilárd, sin embargo, no propuso la fisión como mecanismo para su reacción en cadena, ya que la reacción de fisión aún no había sido descubierta, ni siquiera sospechada. En cambio, Szilárd propuso utilizar mezclas de isótopos conocidos más ligeros que producían neutrones en cantidades copiosas. Al año siguiente presentó una patente para su idea de un reactor nuclear simple. [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] En su segunda publicación sobre la fisión nuclear en febrero de 1939, Hahn y Strassmann utilizaron por primera vez el término Uranspaltung (fisión del uranio) y predijeron la existencia y liberación de neutrones adicionales durante el proceso de fisión, abriendo la posibilidad de una reacción nuclear en cadena. [6]
Unos meses más tarde, Frédéric Joliot-Curie , H. Von Halban y L. Kowarski en París [7] buscaron y descubrieron la multiplicación de neutrones en el uranio, demostrando que una reacción nuclear en cadena mediante este mecanismo era realmente posible.
El 4 de mayo de 1939, Joliot-Curie, Halban y Kowarski presentaron tres patentes. Los dos primeros describían la producción de energía a partir de una reacción nuclear en cadena, el último llamado Perfectionnement aux charges explosivos fue la primera patente para la bomba atómica y está presentada como patente número 445686 por la Caisse nationale de Recherche Scientifique . [8]
Paralelamente, Szilárd y Enrico Fermi en Nueva York hicieron el mismo análisis. [9] Este descubrimiento motivó 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 . [10]
El 2 de diciembre de 1942, un equipo liderado por Fermi (y entre ellos Szilárd) produjo la primera reacción nuclear en cadena autosostenida artificial con el reactor experimental Chicago Pile-1 (CP-1) en una cancha de raquetas debajo de las gradas del Stagg Field en la Universidad de Chicago . Los experimentos de Fermi en la Universidad de Chicago formaron parte del Laboratorio Metalúrgico del Proyecto Manhattan de Arthur H. Compton ; Posteriormente, el laboratorio pasó a llamarse Laboratorio Nacional Argonne y se le asignó la tarea de realizar investigaciones sobre el aprovechamiento de la fisión para la energía nuclear. [11]
En 1956, Paul Kuroda, de la Universidad de Arkansas, postuló que alguna vez pudo haber existido un reactor de fisión natural. Dado que las reacciones nucleares en cadena pueden requerir solo materiales naturales (como agua y uranio, si el uranio tiene cantidades suficientes de 235 U), fue posible que estas reacciones en cadena ocurrieran en un pasado distante cuando las concentraciones de uranio-235 eran más altas que las actuales. y dónde se encontraba la combinación adecuada de materiales dentro de la corteza terrestre.235
El U constituía una proporción mayor del uranio en la Tierra en el pasado geológico debido a las diferentes vidas medias de los isótopos.235
U y238
U , el primero decae casi un orden de magnitud más rápido que el segundo. La predicción de Kuroda se verificó con el descubrimiento de evidencia de reacciones nucleares en cadena autosostenidas en el pasado en Oklo, Gabón , en septiembre de 1972. [12] Para sostener una reacción en cadena de fisión nuclear con las actuales proporciones de isótopos en el uranio natural en la Tierra se requeriría la presencia de un moderador de neutrones como agua pesada o carbono de alta pureza (por ejemplo, grafito) en ausencia de venenos de neutrones , lo que es aún más improbable que surja por procesos geológicos naturales que las condiciones en Oklo hace unos dos mil millones de años.
Las reacciones en cadena de fisión ocurren debido a interacciones entre neutrones e isótopos fisibles (como el 235 U). La reacción en cadena requiere tanto la liberación de neutrones de 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, unos pocos neutrones (el número exacto depende de factores incontrolables e inmensurables; 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 fisionable, parte puede ser absorbida y causar más fisiones. Por tanto, el ciclo se repite para dar una reacción autosostenida.
Las centrales nucleares funcionan controlando con precisión la velocidad a la que se producen las reacciones nucleares. Las armas nucleares, por otra parte, están diseñadas específicamente para producir una reacción tan rápida e intensa que no se puede controlar una vez que ha comenzado. Cuando se diseña adecuadamente, esta reacción incontrolada conducirá a una liberación de energía explosiva.
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 normalmente consiste en un material de óxido poco enriquecido (por ejemplo, UO 2 ). Hay dos isótopos principales que se utilizan para las reacciones de fisión dentro de los reactores nucleares. El primero y más común es el uranio-235 . Este es el isótopo fisionable del uranio y constituye aproximadamente el 0,7% de todo el uranio natural. [13] Debido a la pequeña cantidad de 235 U que existe, se considera una fuente de energía no renovable a pesar de encontrarse en formaciones rocosas de todo el mundo. [14] El uranio-235 no puede utilizarse como combustible en su forma básica para la producción de energía. Debe pasar por un proceso conocido como refinamiento para producir el compuesto UO 2 o dióxido de uranio. Luego, el dióxido de uranio se prensa y se le da forma de bolitas de cerámica, que posteriormente se pueden colocar en barras de combustible. Entonces es cuando el compuesto dióxido de uranio puede utilizarse para la producción de energía nuclear. El segundo isótopo más común utilizado en la fisión nuclear es el plutonio-239 . Esto se debe a su capacidad de volverse fisible con una interacción lenta de neutrones. Este isótopo se forma dentro de los reactores nucleares al exponer 238 U a los neutrones liberados durante la fisión. [15] Como resultado de la captura de neutrones, se produce uranio-239, que sufre dos desintegraciones beta para convertirse en plutonio-239. El plutonio alguna vez existió como elemento primordial en la corteza terrestre, pero solo quedan trazas, por lo que es predominantemente sintético. Otro combustible propuesto para reactores nucleares, que sin embargo no desempeña ningún papel comercial a partir de 2021, es el uranio-233 , que se "genera" mediante captura de neutrones y posteriores desintegraciones beta del torio natural, que está compuesto casi en un 100% por el isótopo torio-232. . Esto se llama ciclo del combustible del torio .
El isótopo fisible uranio-235 en su concentración natural no es apto para la gran mayoría de los reactores nucleares. Para estar preparado para su uso como combustible en la producción de energía, es necesario enriquecerlo. El proceso de enriquecimiento no se aplica al plutonio. El plutonio apto para reactores se crea como subproducto de la interacción de neutrones entre dos isótopos diferentes de uranio. El primer paso para enriquecer uranio comienza convirtiendo el óxido de uranio (creado mediante el proceso de molienda de uranio) en forma gaseosa. Este gas se conoce como hexafluoruro de uranio y se crea combinando fluoruro de hidrógeno, gas flúor y óxido de uranio. En este proceso también está presente el dióxido de uranio, que se envía para su uso en reactores que no requieren combustible enriquecido. El compuesto de hexafluoruro de uranio restante se drena en fuertes cilindros metálicos donde se solidifica. El siguiente paso es separar el hexafluoruro de uranio del U-235 empobrecido que queda. Esto generalmente se hace con centrífugas que giran lo suficientemente rápido como para permitir que la diferencia de masa del 1% en los isótopos de uranio se separe. Luego se utiliza un láser para enriquecer el compuesto de hexafluoruro. El paso final consiste en reconvertir el compuesto ahora enriquecido 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.
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 el 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 :
Debido al valor extremadamente grande de la velocidad de la luz , c , una pequeña disminución de masa se asocia con una enorme 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, al igual que 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 enlace del electrón con el hidrógeno es de 13,6 eV), las reacciones de fisión nuclear suelen liberar 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:
Tenga en cuenta que estas ecuaciones son para fisiones causadas por neutrones (térmicos) de movimiento lento. La energía promedio liberada y el número de neutrones expulsados son función de la velocidad de los neutrones incidentes. [16] 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.
La vida útil inmediata de los neutrones , es el tiempo promedio entre la emisión de neutrones y su absorción en el sistema o su escape del sistema. [17] Los neutrones que se producen directamente de la fisión se denominan " neutrones rápidos ", y los que son resultado de la desintegración radiactiva de fragmentos de fisión se denominan " neutrones retardados ". El término vida útil se utiliza porque la emisión de un neutrón a menudo se considera su "nacimiento" y la absorción posterior se considera su "muerte". Para los reactores de fisión térmica (de neutrones lentos), la vida útil típica de los neutrones rápidos es del orden de 10 −4 segundos, y para los reactores de fisión rápida, la vida útil de los neutrones rápidos es del orden de 10 −7 segundos. [16] Estos tiempos de vida extremadamente cortos significan que en 1 segundo, pueden pasar entre 10.000 y 10.000.000 de tiempos de vida de neutrones. La vida útil promedio 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; La vida útil efectiva del neutrón inmediato (denominada adjunta ponderada en espacio, energía y ángulo) se refiere a un neutrón con importancia media. [18]
El tiempo medio de generación , Λ, es el tiempo medio desde una emisión de neutrones hasta una captura que da como resultado la fisión. [16] El tiempo medio de generación es diferente de la vida útil inmediata de los neutrones porque el tiempo medio de generación solo incluye 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.
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 son absorbidos en reacciones que no son de fisión o abandonan el sistema sin ser absorbidos. El valor de k determina cómo se desarrolla una reacción nuclear en cadena:
Al describir la cinética y la dinámica de los reactores nucleares, así como en la práctica de funcionamiento de los reactores, se utiliza el concepto de reactividad, que caracteriza la desviación del reactor desde el estado crítico: ρ = ( k − 1)/ k . InHour (del inverso 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 desde un poco menos de 1 hasta 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, lo que reduce su tasa de captura y, por lo tanto, hace que k sea más bajo ). ). Esto deja el valor promedio de k exactamente en 1. Los neutrones retardados desempeñan un papel importante en la sincronización de estas oscilaciones.
El factor de multiplicación de neutrones efectivo se puede describir utilizando el producto de seis factores de probabilidad que describen un sistema nuclear. Estos factores, tradicionalmente ordenados cronológicamente con respecto a la vida de un neutrón en un reactor térmico , incluyen la probabilidad de no fuga rápida , el factor de fisión rápida , la probabilidad de escape de resonancia , la probabilidad de no fuga térmica , el factor de utilización térmica y el factor de reproducción de neutrones (también llamado factor de eficiencia de neutrones). La fórmula de seis factores se escribe tradicionalmente de la siguiente manera:
Los factores se describen a continuación.
En un medio infinito, el factor de multiplicación puede describirse mediante la fórmula de cuatro factores , que es la misma que se describió anteriormente y ambos son iguales a 1.
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 de la fisión se denominan "neutrones rápidos", y los que son resultado de la desintegración radiactiva de fragmentos de fisión se denominan "neutrones retardados". La fracción de neutrones que se retrasan se llama β, y esta fracción suele ser menos del 1% de todos los neutrones en la reacción en cadena. [dieciséis]
Los neutrones retardados permiten que un reactor nuclear responda varios órdenes de magnitud más lentamente que lo que lo harían los neutrones puntuales por sí solos. [17] Sin neutrones retardados, los cambios en las velocidades de reacción en los reactores nucleares se producirían a velocidades demasiado rápidas para que los humanos pudieran controlarlas.
La región de supercriticidad entre k = 1 y k = 1/(1 − β) se conoce como supercriticidad retardada (o criticidad retardada ). Es en esta región donde operan 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 .
Las armas de fisión nuclear requieren una masa de combustible fisionable que sea rápidamente supercrítica.
Para una masa determinada de material fisionable, el valor de k puede aumentarse aumentando la densidad. Dado que la probabilidad por distancia recorrida de que un neutrón colisione con un núcleo es proporcional a la densidad del material, aumentar la densidad de un material fisionable puede aumentar k . Este concepto se utiliza en el método de implosión de las armas nucleares. En estos dispositivos, la reacción nuclear en cadena comienza tras aumentar la densidad del material fisionable con un explosivo convencional.
En el arma de fisión tipo pistola , dos piezas subcríticas de combustible se juntan 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 fisionable.
Una vez que la masa de combustible se vuelve supercrítica, la potencia aumenta exponencialmente. Sin embargo, el aumento exponencial de potencia no puede continuar por mucho tiempo ya que k disminuye cuando disminuye la cantidad de material de fisión que queda (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.
La detonación de un arma nuclear implica llevar material fisionable a su estado supercrítico óptimo muy rápidamente. Durante parte de este proceso, el conjunto es supercrítico, pero aún no está en un estado óptimo para una reacción en cadena. Los neutrones libres, en particular los provenientes de fisiones espontáneas , pueden provocar que el dispositivo experimente una reacción en cadena preliminar que destruye el material fisible antes de que esté listo para producir una gran explosión, lo que se conoce como predetonación . [19]
Para mantener baja la probabilidad de predetonación, se minimiza la duración del período de ensamblaje no óptimo y se utilizan materiales fisibles y otros materiales que tienen bajas tasas de fisión espontánea. De hecho, la combinación de materiales tiene que ser tal que sea improbable que se produzca ni siquiera 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 ).
Las reacciones en cadena naturalmente dan lugar a velocidades de reacción que crecen (o se reducen) exponencialmente , mientras que un reactor de energía nuclear debe 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 neutrones retardados para su criticidad. Un reactor de energía nuclear en funcionamiento fluctúa entre ser ligeramente subcrítico y ligeramente supercrítico retardado, pero siempre debe permanecer por debajo del crítico inmediato.
Es imposible que una central nuclear sufra una reacción nuclear en cadena que dé lugar a una explosión de potencia comparable a la de un arma nuclear, pero incluso explosiones de baja potencia debidas a reacciones en cadena incontroladas (que se considerarían "esfumados" en una bomba) todavía puede causar daños considerables y fusión en un reactor. Por ejemplo, el desastre de Chernobyl implicó una reacción en cadena descontrolada, pero el resultado fue una explosión de vapor de baja potencia debido a una 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 quema ordinaria del grafito expuesto al aire. [17] Estas 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 centrales eléctricas autorizadas en los Estados Unidos requieren un coeficiente de reactividad de vacíos negativo (esto significa que si se elimina el refrigerante del núcleo del reactor, la reacción nuclear tenderá a detenerse, no a aumentar). Esto elimina la posibilidad del tipo de accidente que ocurrió en Chernobyl (que se debió a un coeficiente de vacío positivo). Sin embargo, los reactores nucleares siguen siendo capaces de provocar explosiones químicas más pequeñas incluso después de un apagado total, 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 detenido la reacción en cadena (ver SCRAM ). Esto puede provocar una reacción química entre el agua y el combustible que produce gas hidrógeno, 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 quedar expuesto a la atmósfera a través de 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.
