(reacción en cadena). Reacción de fisión en la cual los neutrones liberados en cada fisión dan lugar a la escisión de otros núcleos, que a su vez liberan nuevos neutrones, que continúan el proceso.
Proceso de fisión nuclear en reactores
Categoría:
Física nuclear, ingeniería nuclear y reactores nucleares
Reacción en cadena
La reacción en cadena
(Chain Reaction)
ocurre cuando los neutrones liberados por una fisión provocan nuevas fisiones sucesivas.
En el caso del:
$$
^{235}_{92}U
$$
cada fisión produce típicamente:
$$
2 \ a \ 3 \ neutrones
$$
con un promedio aproximado de:
$$
2.5 \ neutrones/fisión
$$
Sistemas subcríticos, críticos y supercríticos
-
Sistema subcrítico
(Subcritical System):
la reacción en cadena disminuye progresivamente.
-
Sistema crítico
(Critical System):
cada fisión produce exactamente una nueva fisión en promedio.
-
Sistema supercrítico
(Supercritical System):
la cantidad de fisiones aumenta rápidamente.
El estado crítico es el utilizado en reactores nucleares de potencia.
Procesos inmediatos o prompt
Los procesos prompt
(Prompt Processes)
son eventos que ocurren inmediatamente después de la fisión.
Incluyen:
- Formación de productos de fisión
- Liberación de energía
- Emisión de neutrones rápidos
- Radiación beta y gamma
Pérdidas de neutrones
No todos los neutrones producidos generan nuevas fisiones.
Los neutrones pueden perderse debido a:
-
Absorción parasitaria
(Parasitic Absorption)
-
Fugas neutrónicas
(Neutron Leakage)
-
Captura neutrónica en materiales estructurales
Procesos retardados
Los procesos retardados
(Delayed Processes)
ocurren algún tiempo después de la fisión.
Incluyen:
- Emisión de neutrones retardados
- Desintegración beta
- Radiación gamma retardada
Estos neutrones retardados son fundamentales para el control seguro del reactor.
Producción de plutonio-239
El:
$$
^{238}_{92}U
$$
puede absorber neutrones y transformarse en:
$$
^{239}_{94}Pu
$$
mediante una cadena de desintegraciones beta:
$$
^{238}U \rightarrow ^{239}U \rightarrow ^{239}Np \rightarrow ^{239}Pu
$$
El plutonio-239 es un material físil utilizado en reactores y armas nucleares.
Reactores térmicos y rápidos
Reactores térmicos
Utilizan:
- Neutrones lentos o térmicos
- Moderadores nucleares
- Combustible basado en U-235
Reactores rápidos
Utilizan:
- Neutrones rápidos
- Poco o ningún moderador
- Combustible con plutonio y uranio empobrecido
Los reactores rápidos pueden producir más combustible físil del que consumen.
Reactores reproductores
Los:
reactores reproductores
(Breeder Reactors)
convierten:
$$
^{238}U
$$
en:
$$
^{239}Pu
$$
a una velocidad superior a la de consumo del plutonio generado.
Energía liberada por fisión
La fisión completa de:
$$
1 \ kg \ de \ ^{235}U
$$
libera aproximadamente:
$$
8 \times 10^{13}\ J
$$
equivalentes a:
$$
80 \ millones \ de \ millones \ de \ joules
$$
Distribución de energía de fisión
La energía liberada se distribuye aproximadamente en:
| Proceso |
Energía (\(10^{12}J\)) |
| Productos de fisión |
69 |
| Neutrones de fisión |
2 |
| Radiación gamma prompt |
3 |
| Radiación beta retardada |
3 |
| Radiación gamma retardada |
3 |
| Neutrinos |
5 |
| Total |
85 |
Calor residual
Luego de apagar el reactor, continúa liberándose energía debido al decaimiento radiactivo de los productos de fisión.
Este fenómeno se denomina:
calor residual
(Decay Heat).
Después del apagado:
- 1 segundo → 6.5% de la potencia nominal
- 1 hora → 1.4%
- 1 año → 0.023%
Por esta razón es indispensable continuar refrigerando el reactor incluso después de detener la reacción nuclear.
Refrigeración y seguridad
El calor generado debe transferirse continuamente hacia el refrigerante.
Si el sistema de refrigeración falla:
- La temperatura del combustible aumenta
- Puede producirse fusión del núcleo
- Se incrementa el riesgo radiológico
Términos técnicos destacados
- Reacción en cadena (Chain Reaction)
- Sistema crítico (Critical System)
- Sistema supercrítico (Supercritical System)
- Neutrón retardado (Delayed Neutron)
- Absorción parasitaria (Parasitic Absorption)
- Fuga neutrónica (Neutron Leakage)
- Productos de fisión (Fission Products)
- Plutonio-239 (Plutonium-239)
- Reactor rápido (Fast Reactor)
- Reactor térmico (Thermal Reactor)
- Reactor reproductor (Breeder Reactor)
- Calor residual (Decay Heat)
- Refrigeración nuclear (Nuclear Cooling)
- Fusión del núcleo (Core Meltdown)
- Neutrinos (Neutrinos)
- Radiación gamma (Gamma Radiation)
- Radiación beta (Beta Radiation)
- Uranio empobrecido (Depleted Uranium)
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