En ingeniería nuclear , un neutrón retardado es un neutrón emitido después de un evento de fisión nuclear , por uno de los productos de fisión (o en realidad, un producto de fisión hijo después de la desintegración beta), en cualquier momento desde unos pocos milisegundos hasta unos pocos minutos después del evento de fisión. Los neutrones nacidos dentro de los 10 −14 segundos posteriores a la fisión se denominan "neutrones inmediatos".
En un reactor nuclear, los grandes nucleidos se fisionan en dos productos de fisión ricos en neutrones (es decir, nucleidos inestables ) y neutrones libres (neutrones inmediatos). Muchos de estos productos de fisión luego sufren desintegración radiactiva (generalmente desintegración beta) y los nucleidos resultantes son inestables con respecto a la desintegración beta . Una pequeña fracción de ellos se excita lo suficiente como para poder desintegrarse en beta emitiendo un neutrón retardado además del beta. El momento de desintegración beta de los nucleidos precursores, que son los precursores de los neutrones retardados, ocurre órdenes de magnitud más tarde en comparación con la emisión de los neutrones inmediatos . Por lo tanto, el neutrón que se origina a partir de la desintegración del precursor se denomina neutrón retardado. El "retraso" en la emisión de neutrones se debe al retraso en la desintegración beta (que es más lenta ya que está controlada por la fuerza nuclear débil ), ya que la emisión de neutrones, como la emisión gamma, está controlada por la fuerza nuclear fuerte y, por lo tanto, ocurre en la fisión o casi simultáneamente con la desintegración beta, inmediatamente después de esta. Las diversas vidas medias de estas desintegraciones que finalmente resultan en la emisión de neutrones, son por lo tanto las vidas medias de desintegración beta de los radionucleidos precursores.
Los neutrones retardados desempeñan un papel importante en el control de los reactores nucleares y el análisis de la seguridad.
Los neutrones retardados están asociados con la desintegración beta de los productos de fisión. Después de la emisión rápida de neutrones de fisión, los fragmentos residuales siguen siendo ricos en neutrones y experimentan una cadena de desintegración beta. Cuanto más rico en neutrones sea el fragmento, más enérgica y rápida será la desintegración beta. En algunos casos, la energía disponible en la desintegración beta es lo suficientemente alta como para dejar el núcleo residual en un estado de excitación tan intenso que se produce la emisión de neutrones en lugar de la emisión gamma .
Usando el U-235 como ejemplo, este núcleo absorbe neutrones térmicos , y los productos de masa inmediatos de un evento de fisión son dos grandes fragmentos de fisión, que son restos del núcleo U-236 formado. Estos fragmentos emiten, en promedio, dos o tres neutrones libres (en promedio 2,47), llamados neutrones "rápidos" . Un fragmento de fisión posterior ocasionalmente experimenta una etapa de desintegración radiactiva (que es una desintegración beta menos ) que produce un nuevo núcleo (el núcleo emisor) en un estado excitado que emite un neutrón adicional, llamado neutrón "retardado", para llegar al estado fundamental. Estos fragmentos de fisión que emiten neutrones se denominan átomos precursores de neutrones retardados.
Datos de neutrones retardados para la fisión térmica en U-235 [1] [2]
Si un reactor nuclear se encontrara en estado crítico inmediato , aunque fuera mínimamente crítico, el número de neutrones aumentaría exponencialmente a un ritmo elevado y muy pronto el reactor se volvería incontrolable por medio de mecanismos externos. El control del aumento de potencia quedaría entonces en manos de sus factores intrínsecos de estabilidad física, como la dilatación térmica del núcleo o el aumento de la absorción de resonancia de los neutrones, que suelen tender a disminuir la reactividad del reactor cuando aumenta la temperatura; pero el reactor correría el riesgo de resultar dañado o destruido por el calor.
Sin embargo, gracias a los neutrones retardados, es posible dejar el reactor en un estado subcrítico en lo que respecta únicamente a los neutrones inmediatos: los neutrones retardados llegan un momento después, justo a tiempo para sostener la reacción en cadena cuando está a punto de extinguirse. En ese régimen, la producción de neutrones en general sigue creciendo exponencialmente, pero en una escala de tiempo que está gobernada por la producción de neutrones retardados, que es lo suficientemente lenta como para ser controlada (del mismo modo que una bicicleta que de otro modo sería inestable puede equilibrarse porque los reflejos humanos son lo suficientemente rápidos en la escala de tiempo de su inestabilidad). Por lo tanto, al ampliar los márgenes de no operación y supercriticidad y permitir más tiempo para regular el reactor, los neutrones retardados son esenciales para la seguridad inherente del reactor , incluso en reactores que requieren un control activo.
El menor porcentaje [3] de neutrones retardados hace que el uso de grandes porcentajes de plutonio en reactores nucleares sea más desafiante.
La fracción de rendimiento del precursor β se define como:
y es igual a 0,0064 para U-235.
La fracción de neutrones retardados (DNF) se define como:
Estos dos factores, β y DNF , son casi lo mismo, pero no del todo; difieren en el caso de un cambio rápido (más rápido que el tiempo de desintegración de los átomos precursores) en el número de neutrones en el reactor.
Otro concepto es la fracción efectiva de neutrones retardados β eff , que es la fracción de neutrones retardados ponderada (sobre el espacio, la energía y el ángulo) en el flujo de neutrones adjunto. Este concepto surge porque los neutrones retardados se emiten con un espectro de energía más termalizado en relación con los neutrones inmediatos. Para el combustible de uranio poco enriquecido que funciona en un espectro de neutrones térmicos, la diferencia entre las fracciones de neutrones retardados promedio y efectiva puede alcanzar 50 pcm . [4]
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