Material fisible

En ingeniería nuclear , el material fisible es un material que puede experimentar fisión nuclear cuando es golpeado por un neutrón de baja energía. ^{[1] Una} reacción en cadena térmica autosostenida solo se puede lograr con material fisible. La energía neutrónica predominante en un sistema puede estar caracterizada por neutrones lentos (es decir, un sistema térmico) o neutrones rápidos. El material fisible se puede utilizar para alimentar reactores de neutrones térmicos , reactores de neutrones rápidos y explosivos nucleares .

Según la regla de fisión de Ronen , ^[2] para un elemento pesado con 90  ≤  Z  ≤  100 , sus isótopos con 2 × Z − N = 43 ± 2 , con pocas excepciones, son fisionables (donde N = número de neutrones y Z = número de protones ). ^{[3] [4] [nota 1]}

El término fisible es distinto de fisionable . Un nucleido capaz de experimentar fisión nuclear (incluso con una baja probabilidad) después de capturar un neutrón de alta o baja energía ^[5] se denomina fisionable . Un nucleido fisionable que puede ser inducido a la fisión con neutrones térmicos de baja energía con una alta probabilidad se denomina fisible . ^[6] Los materiales fisionables incluyen aquellos (como el uranio-238 ) para los cuales la fisión puede ser inducida solo por neutrones de alta energía. Como resultado, los materiales fisionables (como el uranio-235 ) son un subconjunto de los materiales fisionables.

El uranio-235 se fisiona con neutrones térmicos de baja energía porque la energía de enlace resultante de la absorción de un neutrón es mayor que la energía crítica requerida para la fisión; por lo tanto, el uranio-235 es fisible. Por el contrario, la energía de enlace liberada por el uranio-238 al absorber un neutrón térmico es menor que la energía crítica, por lo que el neutrón debe poseer energía adicional para que la fisión sea posible. En consecuencia, el uranio-238 es fisionable pero no fisible. ^{[7] [8]}

Una definición alternativa define los nucleidos fisionables como aquellos nucleidos que pueden ser sometidos a fisión nuclear (es decir, son fisionables) y también producen neutrones a partir de dicha fisión que pueden sostener una reacción nuclear en cadena en el entorno correcto. Según esta definición, los únicos nucleidos que son fisionables pero no fisionables son aquellos nucleidos que pueden ser sometidos a fisión nuclear pero producen neutrones insuficientes, ya sea en energía o en número, para sostener una reacción nuclear en cadena . Como tal, mientras que todos los isótopos fisionables son fisionables, no todos los isótopos fisionables son fisionables. En el contexto del control de armamentos , particularmente en las propuestas para un Tratado de Prohibición de Material Fisionable , el término fisionable se utiliza a menudo para describir materiales que pueden utilizarse en la fisión primaria de un arma nuclear. ^[9] Estos son materiales que sostienen una reacción en cadena de fisión nuclear de neutrones rápidos explosiva .

Según todas las definiciones anteriores, el uranio-238 (²³⁸
tú
) es fisionable, pero no fisible. Los neutrones producidos por la fisión de²³⁸
tú
tienen energías más bajas que el neutrón original (se comportan como en una dispersión inelástica ), generalmente por debajo de 1  MeV (es decir, una velocidad de unos 14.000  km/s ), el umbral de fisión para provocar la fisión posterior de²³⁸
tú
, por lo que la fisión de²³⁸
tú
no sostiene una reacción nuclear en cadena .

Fisión rápida de²³⁸
tú
En la etapa secundaria de un arma termonuclear, debido a la producción de neutrones de alta energía a partir de la fusión nuclear , contribuye en gran medida al rendimiento y la precipitación radiactiva de tales armas. La fisión rápida de²³⁸
tú
También se han observado alteraciones en las armas de fisión pura. ^[10] La rápida fisión de²³⁸
tú
También contribuye de manera significativa a la potencia de salida de algunos reactores de neutrones rápidos .

En general, la mayoría de los isótopos actínidos con un número de neutrones impar son fisionables. La mayoría de los combustibles nucleares tienen un número de masa atómica impar ( A = Z + N = el número total de nucleones ) y un número atómico par Z. Esto implica un número impar de neutrones. Los isótopos con un número impar de neutrones ganan entre 1 y 2 MeV de energía extra al absorber un neutrón adicional, a partir del efecto de emparejamiento que favorece los números pares tanto de neutrones como de protones. Esta energía es suficiente para suministrar la energía adicional necesaria para la fisión por neutrones más lentos, lo que es importante para hacer que los isótopos fisionables también sean fisionables.

En términos más generales, los nucleidos con un número par de protones y un número par de neutrones, y ubicados cerca de una curva bien conocida en física nuclear de número atómico vs. número de masa atómica son más estables que otros; por lo tanto, es menos probable que experimenten fisión. Es más probable que "ignoren" el neutrón y lo dejen seguir su camino, o que absorban el neutrón pero sin ganar suficiente energía del proceso para deformar el núcleo lo suficiente como para que se físese. Estos isótopos "pares-pares" también tienen menos probabilidades de experimentar fisión espontánea , y también tienen vidas medias parciales relativamente mucho más largas para la desintegración alfa o beta . Ejemplos de estos isótopos son el uranio-238 y el torio-232 . Por otra parte, a excepción de los nucleidos más ligeros, los nucleidos con un número impar de protones y un número impar de neutrones ( Z impar, N impar ) suelen tener una vida media corta (una notable excepción es el neptunio-236, con una vida media de 154.000 años), porque se desintegran fácilmente por emisión de partículas beta en sus isóbaros con un número par de protones y un número par de neutrones ( Z par , N par ), volviéndose mucho más estables. La base física de este fenómeno también proviene del efecto de emparejamiento en la energía de enlace nuclear, pero esta vez del emparejamiento protón-protón y neutrón-neutrón. La vida media relativamente corta de estos isótopos pesados ​​impar-impares significa que no están disponibles en cantidad y son altamente radiactivos.

Para ser un combustible útil para las reacciones en cadena de fisión nuclear, el material debe:

• Estar en la región de la curva de energía de enlace donde es posible una reacción en cadena de fisión (es decir, por encima del radio )
• Tienen una alta probabilidad de fisión en la captura de neutrones.
• Liberar más de un neutrón en promedio por captura de neutrones (suficientes en cada fisión para compensar las no fisiones y las absorciones en material no combustible).
• Tienen una vida media razonablemente larga
• Estar disponible en cantidades adecuadas.

Los nucleidos fisionables en los combustibles nucleares incluyen:

• Uranio-233 , obtenido a partir del torio-232 por captura de neutrones, omitiendo los pasos de desintegración intermedios.
• Uranio-235 , que se encuentra en el uranio natural y en el uranio enriquecido.
• Plutonio-239 , obtenido a partir de uranio-238 por captura de neutrones, omitiendo los pasos de desintegración intermedios.
• Plutonio-241 , obtenido a partir de plutonio-240 directamente por captura de neutrones.

Los nucleidos fisionables no tienen una probabilidad del 100% de sufrir fisión al absorber un neutrón. La probabilidad depende del nucleido y de la energía del neutrón. Para neutrones de energía baja y media, las secciones eficaces de captura de neutrones para fisión (σ _F ), la sección eficaz para captura de neutrones con emisión de un rayo gamma (σ _γ ) y el porcentaje de no fisiones se muestran en la tabla de la derecha.

Los nucleidos fértiles en los combustibles nucleares incluyen:

• Torio-232 , que genera uranio-233 por captura de neutrones omitiendo los pasos de desintegración intermedios.
• Uranio-238 , que genera plutonio-239 por captura de neutrones omitiendo los pasos de desintegración intermedios.
• Plutonio-240 , que genera plutonio-241 directamente por captura de neutrones.

• Material fértil
• Producto de fisión
• Material nuclear especial