Un material fértil es un material que, aunque no es fisible en sí mismo, puede convertirse en material fisible mediante absorción de neutrones .
Los materiales fértiles naturales que pueden convertirse en material fisionable mediante irradiación en un reactor incluyen:
Los isótopos artificiales formados en el reactor que pueden convertirse en material fisible mediante la captura de un neutrón incluyen:
Algunos otros actínidos necesitan más de una captura de neutrones antes de llegar a un isótopo que sea fisible y lo suficientemente duradero como para probablemente poder capturar otro neutrón y fisionarse en lugar de desintegrarse.
Dado que estos requieren un total de 3 o 4 neutrones térmicos para fisionarse, y una fisión de neutrones térmicos genera solo alrededor de 2 a 3 neutrones, estos nucleidos representan una pérdida neta de neutrones. Un reactor subcrítico que funcione en el espectro de neutrones térmicos tendría que ajustar la fuerza de la fuente de neutrones externa de acuerdo con la acumulación o el consumo de dichos materiales. En un reactor rápido , esos nucleidos pueden requerir menos neutrones para lograr la fisión, así como producir más neutrones cuando lo hacen. Sin embargo, también existe la posibilidad de (n, 2n) o incluso (n, 3n) reacciones de "knockout" (un neutrón rápido incidente golpea un núcleo y más de un neutrón sale) con neutrones rápidos que no son posibles con neutrones térmicos.
Un reactor de neutrones rápidos , es decir, uno con poco o ningún moderador de neutrones y, por lo tanto, que utiliza neutrones rápidos , puede configurarse como un reactor reproductor , que produce más material fisible del que consume, utilizando material fértil en una capa alrededor del núcleo o contenido en barras de combustible especiales . Dado que el plutonio-238 , el plutonio-240 y el plutonio-242 son fértiles, la acumulación de estos y otros isótopos no fisibles es un problema menor que en los reactores térmicos , que no pueden quemarlos de manera eficiente. Los reactores reproductores que utilizan neutrones de espectro térmico solo son prácticos si se utiliza el ciclo del combustible de torio , ya que el uranio-233 se fisiona de manera mucho más confiable con neutrones térmicos que el plutonio-239. Un reactor subcrítico —independientemente del espectro de neutrones— también puede "criar" nucleidos fisionables a partir de material fértil, lo que permite en principio el consumo de actínidos de muy baja calidad (por ejemplo, combustible MOX gastado cuyo contenido de plutonio-240 es demasiado alto para su uso en los actuales reactores térmicos críticos) sin la necesidad de material altamente enriquecido como el que se utiliza en un reactor reproductor rápido .
Las aplicaciones propuestas para material fértil incluyen una instalación espacial para la fabricación de material fisible para la propulsión nuclear de naves espaciales . La instalación transportaría teóricamente materiales fértiles desde la Tierra, de manera segura a través de la atmósfera , y los ubicaría en una instalación espacial en el punto de Lagrange L1 Tierra-Luna donde se produciría la fabricación de material fisible, eliminando el riesgo de seguridad del transporte de materiales fisibles desde la Tierra. [2] Si bien el uranio y el torio están presentes en la Luna , parece que su suministro es más limitado que en la Tierra, especialmente cerca de la superficie. Si se desea la utilización de recursos in situ para alimentar plantas de energía nuclear en la Luna, la conversión de material fértil en material fisible podría ser una forma de hacer que los recursos duren más y de reducir la necesidad de enriquecimiento de uranio , que requiere el flúor volátil químicamente agresivo para preparar hexafluoruro de uranio como se usa en la tecnología de enriquecimiento actual.