Control de la reacción nuclear en cadena (1): tamaño crítico

Experientia docet El núcleo Artículo 35 de 38

Reactor nuclear Breazeale de la Universidad Estatal de Pennsylvania, en funcionamiento desde 1955. Foto: Patrick Mansell. Fuente: PennState News

Hemos visto que los neutrones liberados en la fisión nuclear del uranio pueden, a su vez, causar la fisión en átomos de uranio vecinos y que, por lo tanto, en una muestra de uranio puede desarrollarse un proceso conocido como reacción en cadena, con una liberación de energía enorme. ¿Cómo puede controlarse algo así para convertirlo en algo útil?

Si se escapan demasiados neutrones o se absorben por la estructura que contiene a la muestra o el conjunto del equipo (a lo que llamaremos reactor), no habrá suficientes para mantener la reacción en cadena. Si se escapan o se absorben muy pocos neutrones, la reacción continuará creciendo exponencialmente hasta hacerse portencialmente explosiva. El diseño de reactores nucleares como fuentes de energía implica encontrar tamaños, formas y materiales adecuados para mantener y controlar el equilibrio entre la producción de neutrones y la pérdida de neutrones.

Lo primero que se ha de conseguir es que la reacción en cadena no se detenga. Para que una reacción en cadena en una muestra de uranio continúe a un ritmo uniforme, debe alcanzarse un equilibrio entre la producción neta de neutrones resultantes de fisiones y la pérdida de neutrones debido a tres procesos:

· captura de neutrones por átomos de uranio sin que se produzca fisión;
· captura de neutrones por otros materiales (impurezas) en la propia muestra (boro o cadmio, por ejemplo) o en la estructura que contiene a la muestra;
· neutrones que escapan sin interactuar.

Dado que el núcleo ocupa solo una pequeña fracción del volumen de un átomo, la posibilidad de que un neutrón choque con un núcleo de uranio es pequeña y un neutrón puede pasar de largo miles de millones de núcleos de átomos de uranio (o de otros elementos presentes) mientras se mueve unos centímetros [1]. Si el reactor es pequeño, un porcentaje significativo de los neutrones resultantes de una fisión pueden escapar del reactor sin causar más fisiones. La «fuga» de neutrones puede ser tan grande que no se pueda sostener una reacción en cadena.

Ahora bien, el número de neutrones producidos es proporcional al volumen de la muestra, pero el número de neutrones que escapan es proporcional a la superficie. A medida que aumenta el tamaño lineal L de la muestra [2], el volumen y el área aumentan en proporción a L3 y L2, respectivamente, de modo que la producción de neutrones aumenta con el tamaño más rápidamente que la fuga de neutrones.

Por tanto, para una determinada combinación de materiales (uranio y otros materiales estructurales que puedan ser necesarios), existe un tamaño del reactor, llamado tamaño crítico, para el cual la producción neta de neutrones por fisión es igual a la pérdida de neutrones por captura sin fisión y por fuga. Si el tamaño del conjunto del reactor es menor que este tamaño crítico, no se puede sostener una reacción en cadena. El diseño de reactores de dimensiones razonables, con unos materiales dados, que corresponderán al tamaño crítico, es una parte importante de la investigación en el campo de la ingeniería nuclear.

Otra consideración importante en el diseño de reactores nucleares es el hecho de que la fisión es mucho más probable cuando se bombardea uranio-235 con neutrones lentos que cuando se bombardea con neutrones rápidos. Los neutrones liberados en la fisión generalmente tienen velocidades muy altas, con energías cinéticas en el rango de 0,01 MeV a casi 20 MeV, con una energía cinética promedio de aproximadamente 2 MeV.

Los neutrones rápidos pueden ralentizarse en el reactor mediante la adición de un material (llamado moderador) en el que los neutrones pueden perder energía por colisiones. El material del moderador debe tener una masa atómica relativamente baja, de forma que los neutrones transfieran una fracción significativa de su energía en las colisiones, pero que no corran el riesgo de ser capturados y absorbidos en un porcentaje significativo, sacándolos así de la reacción.

El carbono puro en forma de grafito y también el agua y el berilio cumplen estos requisitos. Como moderadores, ralentizan los neutrones recién producidos hasta llevarlos a velocidades más bajas a las que la probabilidad de causar fisiones adicionales es alta. Aunque se pueden construir reactores nucleares en los que las fisiones son inducidas por neutrones rápidos, ha sido más fácil hasta ahora construir reactores con materiales en los que las fisiones son inducidas por neutrones lentos.

Notas:

[1] Unos centímetros en términos nucleares es una distancia enormemente grande.

[2] Si la muestra es esférica el parámetro L es el radio.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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