En ingeniería nuclear , material fisionable es material que puede sufrir fisión nuclear cuando es golpeado por un neutrón de baja energía. [1] Sólo con material fisible se puede lograr una reacción térmica en cadena autosostenida . La energía de neutrones predominante en un sistema puede estar representada por neutrones lentos (es decir, un sistema térmico) o neutrones rápidos . El material fisionable puede utilizarse como combustible para reactores de neutrones térmicos , reactores de neutrones rápidos y explosivos nucleares .
Según la regla de Ronen Fissile , [2] para un elemento pesado con 90 ≤ Z ≤ 100 , sus isótopos con 2 × Z − N = 43 ± 2 , con pocas excepciones, son fisibles (donde N = número de neutrones y Z = número de protones ). [3] [4] [nota 1]
El término fisible es distinto de fisionable . Se denomina fisionable a un nucleido capaz de sufrir fisión (incluso con baja probabilidad) tras capturar un neutrón de alta o baja energía [5] . Se denomina fisible a un nucleido fisionable que puede inducirse a fisionarse con neutrones térmicos de baja energía con una alta probabilidad . [6] Los materiales fisionables incluyen también aquellos (como el uranio-238 ) cuya fisión sólo puede ser inducida por neutrones de alta energía. Como resultado, los materiales fisionables (como el uranio-235 ) son un subconjunto de 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 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 fisionable. [7] [8]
Una definición alternativa define los nucleidos fisionables como aquellos nucleidos que pueden someterse a fisión nuclear (es decir, que son fisionables) y que 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 que pueden someterse a fisión nuclear pero que producen neutrones insuficientes, ya sea en energía o en número, para sostener una reacción nuclear en cadena . Como tal, si bien todos los isótopos fisionables son fisionables, no todos los isótopos fisionables son fisionables. En el contexto del control de armas , particularmente en las propuestas para un Tratado de Prohibición de Material Fisible , el término fisionable se usa a menudo para describir materiales que pueden usarse en la fisión primaria de un arma nuclear. [9] Estos son materiales que sostienen una reacción en cadena explosiva de fisión nuclear de neutrones rápidos .
Según todas las definiciones anteriores, uranio-238 (238
Ud.
) es fisionable, pero no fisionable. Neutrones producidos por fisión de238
Ud.
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 aproximadamente 14.000 km/s ), el umbral de fisión para causar la fisión posterior de238
Ud.
, por lo que la fisión de238
Ud.
no sostiene una reacción nuclear en cadena .
Fisión rápida de238
Ud.
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. Fisión rápida de238
Ud.
La manipulación también ha sido evidente en las armas de fisión pura. [10] La rápida fisión de238
Ud.
También contribuye significativamente a la producción de energía de algunos reactores de neutrones rápidos .
En general, la mayoría de los isótopos actínidos con un número impar de neutrones son fisibles. 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 obtienen entre 1 y 2 MeV adicionales de energía al absorber un neutrón adicional, debido al efecto de emparejamiento que favorece números pares tanto de neutrones como de protones. Esta energía es suficiente para suministrar la energía adicional necesaria para la fisión mediante neutrones más lentos, lo cual es importante para hacer que los isótopos fisionables también sean fisibles.
De manera más general, 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 versus número de masa atómica, son más estables que otros; por lo tanto, es menos probable que sufran fisión. Es más probable que "ignoren" el neutrón y lo dejen seguir su camino, o que absorban el neutrón pero sin obtener suficiente energía del proceso para deformar el núcleo lo suficiente como para que se fisione. Estos isótopos "pares-pares" también tienen menos probabilidades de sufrir 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 otro lado, aparte 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 excepción notable es el neptunio-236 con una vida media de 154.000 años) porque se desintegran fácilmente por emisión de partículas beta a sus isobaras con un número par de protones y un número par de neutrones (incluso Z , incluso N ) 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 extraños isótopos pesados significa que no están disponibles en cantidad y son altamente radiactivos.
Para ser un combustible útil para reacciones en cadena de fisión nuclear, el material debe:
Los nucleidos fisibles en los combustibles nucleares incluyen:
Los nucleidos fisionables no tienen un 100% de posibilidades de sufrir fisión tras la absorción de un neutrón. La probabilidad depende tanto del nucleido como de la energía de los neutrones. Para neutrones de baja y media energía, las secciones transversales de captura de neutrones para fisión (σ F ), la sección transversal para captura de neutrones con emisión de un rayo gamma (σ γ ) y el porcentaje de no fisiones se encuentran en la tabla de la derecha. .
Los nucleidos fértiles en los combustibles nucleares incluyen:
