La economía de neutrones se define como la relación entre el exceso de producción de neutrones dividido por la tasa de fisión . [1] [2] Los números son un promedio ponderado basado principalmente en las energías de los neutrones.
La fisión nuclear es un proceso en el que los núcleos de los átomos se separan. Entre las diversas partículas liberadas en este proceso se encuentran neutrones de alta energía con energías repartidas por todo el espectro neutrónico . Esos neutrones pueden hacer que otros núcleos sufran fisión, lo que lleva a la posibilidad de una reacción en cadena . Sin embargo, los neutrones solo pueden causar otra fisión bajo ciertas condiciones en función de su energía; los neutrones de alta energía, o "relativistas", a menudo volarán directamente a través de otro núcleo sin causar fisión. La probabilidad de que un neutrón sea capturado aumenta enormemente cuando su energía es similar a la del núcleo objetivo, lo que se conoce como "neutrón térmico". Para mantener una reacción en cadena en un reactor nuclear , se utiliza un moderador de neutrones para ralentizar los neutrones. Este moderador se utiliza a menudo como refrigerante que también se utiliza para la extracción de energía, y el moderador más común es el agua. Los neutrones también se ralentizan debido a las colisiones elásticas e inelásticas con el combustible y otros materiales en el reactor.
Un reactor de fisión se basa en la idea de mantener la criticidad , donde cada evento de fisión conduce a otro evento de fisión, ni más ni menos. Como la fisión del uranio libera dos o tres neutrones, esto significa que algunos de los neutrones deben eliminarse como parte del proceso general. Algunos se perderán puramente debido a la geometría, los liberados que viajan hacia afuera desde el borde exterior de la masa de combustible no tendrán la oportunidad de causar fisión, por ejemplo. Otros serán absorbidos a través de varios procesos en la masa, y otros serán absorbidos deliberadamente por barras de control o dispositivos similares para mantener el equilibrio general correcto. [3] El proceso de moderación de los neutrones casi siempre conduce a que algunos de ellos también sean absorbidos.
La economía de neutrones es una medida del número de neutrones que se liberan y que pueden causar fisión en comparación con el número necesario para mantener la reacción en cadena. No se trata simplemente de una contabilidad del número total de neutrones, ya que también incluye una ponderación basada en la energía. Por lo tanto, los neutrones de alta energía restantes no son una parte importante de la "economía general", ya que no mantienen la reacción en cadena. La cantidad que indica en qué medida está desequilibrada la economía de neutrones se denomina reactividad . Si un reactor es exactamente crítico (es decir, la producción de neutrones es exactamente igual a la destrucción de neutrones), la reactividad es cero. Si la reactividad es positiva, el reactor es supercrítico . Si la reactividad es negativa, el reactor es subcrítico .
El término "economía de neutrones" se utiliza no sólo para la reactividad instantánea de un reactor, sino también para describir la eficiencia general del diseño de un reactor nuclear . Los diseños de reactores comunes que utilizan agua convencional como refrigerante y moderador generalmente tienen economías de neutrones relativamente pobres porque el agua absorberá algunos de los neutrones térmicos, reduciendo la cantidad disponible para mantener la reacción en marcha. En cambio, el agua pesada ya tiene un neutrón adicional, y la misma reacción generalmente hace que se libere, lo que significa que un reactor moderado con agua pesada no absorbe neutrones y, por lo tanto, tiene una mejor economía de neutrones. [4] [5] Los reactores con altas economías de neutrones tienen más "neutrones sobrantes" que se pueden utilizar para otros fines, como producir combustible adicional o provocar una fisión subcrítica en los desechos nucleares para "quemar" algunos de los componentes más radiactivos.