En términos simples, ¿cómo funciona una reacción rápida de fisión de neutrones?

¿Qué es un reactor rápido ?

Los reactores nucleares se pueden clasificar como rápidos o térmicos. Casi todos los reactores en funcionamiento en el planeta son reactores térmicos. Pero ¿qué significa esto? ¿Qué tienen de rápido los reactores rápidos? Son los neutrones. En promedio, los neutrones en un reactor rápido se mueven mucho más rápido que los de un reactor térmico, que se mueven a energías térmicas, la misma velocidad que los átomos vibran a una temperatura dada. Entonces, un reactor rápido es simplemente un reactor nuclear diseñado para mantener los neutrones en movimiento rápidamente. Si desea números, su neutrón térmico promedio se mueve a aproximadamente 2200 m / s, mientras que un neutrón rápido puede estar muy por encima de los 9 millones de m / s, que es aproximadamente el 3% de la velocidad de la luz.

¿Cuál es el problema con los reactores rápidos?

Pros

  • Los reactores rápidos obtienen más neutrones de su combustible primario que los reactores térmicos, por lo que muchos pueden usarse para generar combustible nuevo , mejorando enormemente la sostenibilidad de la energía nuclear.
  • Los reactores rápidos son capaces de destruir los tipos de desechos nucleares más desagradables, transformándolos en desechos que se descomponen en inofensivos en siglos en lugar de cientos de milenios .
  • Los reactores rápidos generalmente usan refrigerantes líquidos de metal en lugar de agua. Estos tienen propiedades superiores de transferencia de calor y permiten que la circulación natural elimine el calor incluso en escenarios de accidentes graves. El resultado: si algo sale muy mal en la planta, y ninguno de los operadores está despierto, y ninguna de las barras de control funciona, el reactor puede apagarse naturalmente . Esto viene con una estafa (ver contras).
  • Los reactores rápidos pueden emplear combustible metálico en lugar de óxidos (gracias a la compatibilidad química con el líquido refrigerante metálico). Dado que el metal se expande rápidamente con el calor, el combustible en un reactor rápido que se calienta inesperadamente se volverá naturalmente menos denso, sin importar lo que hagan mal los operadores humanos, un efecto de retroalimentación negativa que tiende a mantener el reactor bajo control. Esto mejora significativamente la seguridad de estos reactores.

Contras

  • Las escalas de tiempo en los reactores rápidos son típicamente más rápidas que las de los reactores térmicos (principalmente porque hay menos neutrones retardados en los reactores rápidos). Por lo tanto, pueden pasar por cambios impredecibles más rápido que los reactores térmicos.
  • Las burbujas en el refrigerante del reactor rápido pueden hacer que el reactor se caliente en lugar de enfriarse, como en un reactor tradicional. Un calor más alto genera más burbujas, lo que genera más calor, y así sucesivamente. Esta retroalimentación positiva es aterradora (pero manejable, gracias a las reacciones negativas abrumadoras).
  • Para mantener los neutrones en movimiento rápidamente, los reactores rápidos requieren refrigerantes exóticos derivados de átomos pesados. El refrigerante más común es el sodio líquido, que es bien conocido pero altamente reactivo con el aire y el agua. Otro es el líquido eutéctico de plomo-bismuto, que tampoco es el material más agradable. Estos materiales extraños requieren un cuidado adicional y una menor tolerancia en muchos sistemas (como las tuberías), lo que posiblemente eleva los costos .

Detalles técnicos

Los neutrones emergen de las reacciones de fisión a altas velocidades y, por lo general, nos gusta ralentizarlos a energías térmicas para aumentar sus posibilidades de continuar la reacción en cadena. Esto es lo que se hace en reactores térmicos.
La división de átomos no es lo único que hacen los neutrones. En nucleidos como el uranio-238, los neutrones térmicos se absorben fácilmente sin causar una fisión, lo que resulta en lo que llamamos una captura. La probabilidad de captura también aumenta dramáticamente a las energías térmicas.
Se ha medido a través de experimentos que las posibilidades de que un neutrón provoque una captura en lugar de una fisión en el uranio-238 son altas en energías térmicas y se vuelven más pequeñas en energías más rápidas. Eche un vistazo a estos dos gráficos que muestran la probabilidad (llamada sección transversal en jerga nuclear) de captura y la probabilidad de fisión en función de la energía de neutrones para U-235 y U-238. Por cierto, las unidades de energía utilizadas aquí son electrón-voltios (eV), donde 1 eV es la energía que un electrón ganaría en un campo eléctrico con 1 voltio.


Los reactores rápidos dividen más átomos de U-238 de lo habitual

Dependiendo del enriquecimiento, las propiedades de nuestro combustible serán una mezcla de estas dos parcelas. Para mantener una reacción en cadena, la cantidad de neutrones producidos a partir de las fisión debe ser mayor que la cantidad de neutrones perdidos por la captura (y algunos otros mecanismos de pérdida como la fuga del reactor). Como puede ver, si todos nuestros neutrones tuvieran más de 106 eV, el U-238 sería un combustible casi tan bueno como el U-235. En realidad, es muy difícil mantener los neutrones en movimiento, ya que los reactores tan rápidos aún necesitan un poco de uranio enriquecido para funcionar, pero el U-238 se fisiona mucho más que en los reactores térmicos. Como beneficio adicional, muchos de los nucleidos de larga vida más grandes que el uranio (neptunio, plutonio, americio, curio, etc.) tienen la misma tendencia, y los reactores rápidos pueden dividir y destruir estos actínidos como combustible en lugar de dejar que se acumulen como en reactores térmicos Esto hace que los desechos nucleares que salen de los reactores rápidos se descompongan a niveles de radiación natural mucho más rápido que los desechos nucleares tradicionales.

Los reactores rápidos tienen altas proporciones de reproducción y más neutrones circulando

La proporción de reproducción es una medida de cuánto combustible nuevo puede producir un reactor mientras funciona. Es la relación del número de átomos fisibles creados con el número de fisión que ocurren. Los reactores rápidos que utilizan combustible de uranio crean inherentemente más átomos fisibles por fisión que los reactores térmicos alimentados con uranio. La razón se puede ver en la imagen a la derecha etiquetada como “relación de reproducción”. En los reactores térmicos, Pu239 se fisiona tan pronto como se crea porque la tasa de fisión Pu239 es mucho más alta que la tasa de absorción U238 (que es lo que crea material fisible). Por el contrario, los reactores rápidos tienen tasas de absorción U238 que son comparables a las tasas de fisión Pu239. Por lo tanto, el material fisible se puede reponer a medida que se quema. Esto también explica por qué el enriquecimiento inicial de los reactores rápidos tiene que ser más alto que los reactores térmicos comparables.

El número de neutrones por fisión también cambia en los reactores rápidos. Cuando los átomos se fisionan, liberan algunos neutrones que continúan una reacción en cadena. Cuando un neutrón más rápido divide un átomo de uranio, lo más probable es que salgan más neutrones que si un neutrón térmico lo golpeara. Este efecto significa que los reactores rápidos tienen alrededor de neutrones adicionales que no son necesarios para mantener la reacción en cadena. Además, dado que más U-238 se está fisionando directamente, se están produciendo neutrones a partir de material no fisionable. Estos dos efectos aumentan aún más la proporción de reproducción. Puede ser mayor que 1 en reactores rápidos. Esto significa que los neutrones de bonificación pueden usarse para generar combustible nuevo en reactores reproductores rápidos . El efecto general es que U238 se puede usar como combustible en lugar de solo U235. Hay más de 100 veces más U238 en la naturaleza que U235, por lo que el tiempo que 200 años de uranio pueden durar para la humanidad se convierte en 20,000.

También hay significativamente más neutrones libres en reactores rápidos. Dado que la probabilidad de fisión es menor para energías más rápidas para cada actínido, la densidad de neutrones es más alta en los reactores rápidos que en la mayoría de los reactores térmicos de la misma potencia (dado que la potencia es efectivamente la densidad de neutrones multiplicada por la probabilidad de fisión). Por lo tanto, los materiales estructurales dentro de los reactores rápidos sufren tasas de daño por radiación más altas que las de los reactores térmicos.

Referencias
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¿Qué es un reactor rápido?

Se trata de los neutrones.

Los neutrones son el componente sin carga del núcleo (núcleo) del átomo.

Si un átomo tiene demasiados neutrones en su núcleo, se vuelve inestable y necesita deshacerse de la masa extra. Puede hacerlo mediante algunos mecanismos diferentes, como la radiación (partículas alfa y beta) o por fisión.

Si el átomo es lo suficientemente grande y tiene una cantidad suficiente de neutrones en su núcleo para hacerlo completamente inestable, puede dividirse por la mitad, tomar aproximadamente la mitad de los neutrones y protones y dividirlos en dos átomos nuevos. Cuando esto sucede, no siempre hay espacio en los llamados productos de fisión para almacenar todos los neutrones, por lo que algunos reciben energía cinética (mucha velocidad) del proceso de fisión y “disparan” desde la ubicación de la fisión. Estos se llaman neutrones rápidos.

En la fisión rápida, estos neutrones se absorben potencialmente en otro núcleo en su nivel relativamente alto de energía cinética. Si / cuando esto sucede, y si esas absorciones de neutrones resultan en una nueva fisión, entonces podemos llamarlo oficialmente fisión rápida, porque estamos teniendo fisiones causadas por estos neutrones rápidos.

Si, en promedio, exactamente un neutrón de cada fisión provoca una nueva reacción de fisión hasta el infinito, entonces lo llamamos “crítico”, lo que significa que es autosuficiente. Si miro cuántas fracciones ocurren por segundo, el número no sube ni baja.

Subcrítico significa que, en promedio, menos de un neutrón por fisión causa otra fisión y estas fracciones por segundo disminuyen. Súper crítico significa más de uno, y por lo tanto aumentan las fisiones por segundo.

Podemos controlar la velocidad de la reacción de fisión al inyectarnos en el ciclo de vida del neutrón y eliminar los neutrones o alentarlos a ser absorbidos por otro átomo fisionable. Para eso son las barras de control en los reactores, actúan como un vacío para los neutrones.

Ahora volvamos a acercarnos a una sola fisión. Al entrar tengo un átomo fisionable
Y un neutrón. Al salir tengo un par de productos de fisión (los átomos se forman cuando el átomo fisible más grande se rompe por la mitad durante la fisión) y algunos neutrones y partículas alfa. Si tomo todo lo que sale y lo peso, y tomo todo lo que entra y lo peso, las cosas que salen pesarán menos de lo que entró. Esta diferencia de masa se convirtió en energía a través de la famosa ecuación E = MC ^ 2 en La forma de radiación y energía cinética.

GRAVEDAD
Isaac Newton vio caer una manzana
y luego decidió que la gravedad era ley
lo que me indica un defecto fatal,
ya que eso no explica la gravedad en absoluto.
La concavidad de cada molécula hueca
tiene un vacío que apesta en el siguiente,
y esta gran succión simplemente recoge
y así es como se explica la gravedad.

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