7/24/2019 Interacciones donde Intervienen neutrones (bsico)

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Para comprender la fisin nuclear y la fsica de los reactores nucleares, primero debe entender

la forma en que interactan los neutrones con los ncleos. Debido a su neutralidad

de carga, los neutrones no estn sometidos a las fuerzas de Coulomb y, como un resultado,

no interactan elctricamente con electrones ni con el ncleo. En consecuencia, los neutrones

pueden penetrar profundamente con facilidad en un tomo y chocar con el ncleo.

Un neutrn rpido que viaja en la materia se

somete a numerosas colisiones con ncleos. En cada colisin, el neutrn cede parte de

su energa cintica a un ncleo. A causa de neutrones rpidos en algunos materiales

dominan (se controlan en castellano) las colisiones elsticas. Los materiales en donde se presenta esto

se denominan

moderadores porque reducen (o moderan) la velocidad de los neutrones, originalmente

energticos, en una forma muy eficaz. Los ncleos moderadores deben ser de baja masa

para que se transfiera ms energa cintica a ellos en colisiones elsticas. Por este motivo,

los materiales que son abundantes en hidrgeno, por ejemplo la parafina y el agua, son

buenos moderadores para los neutrones.

Con el tiempo, la mayor parte de los neutrones que bombardeen un moderador se

convierten en neutrones trmicos, lo cual significa que estn en equilibrio trmico con el

material moderador.

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Una vez que los neutrones se han atemperado y la energa de un neutrn particular es

suficientemente baja, hay una elevada probabilidad de que el neutrn sea capturado por

un ncleo, evento que es acompaado por la emisin de un rayo gamma. Esta reaccin

de captura de neutrn se puede escribir como sigue: ecuacin 45.1

Una vez que el neutrn es capturado, el ncleo est en estado excitado durante un

tiempo muy breve, antes de que experimente decaimiento gamma. El ncleo producto

suele ser radiactivo y decae por emisin beta.

La fisin nuclear se presenta cuando un ncleo pesado,

por ejemplo el 235U, se divide en dos ncleos ms pequeos. La fisin se inicia cuando

un ncleo pesado captura un neutrn trmico, como se describe en la primera etapa de

la ecuacin 45.1. La absorcin del neutrn produce un ncleo que es inestable y puede

cambiar a una configuracin de energa ms baja al dividirse en dos ncleos ms pequeos.

En esta reaccin, la masa combinada de los ncleos hijas es menor que la masa del ncleo

padre, y esta diferencia en masa se denomina defecto de masa.

La fisin del 235U por neutrones trmicos puede representarse con la reaccin: ecuacin 45.2

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donde 236U* es un estado intermedio excitado que dura slo unos 10-12

s antes de dividirse

en ncleos X y Y de masa media, que se denominan fragmentos de fisin.

Adems, la fisin da por resultado la produccin de varios neutrones, por lo general

dos o tres. En promedio, unos 2.5 neutrones se liberan por cada evento. Una reaccin

representativa de fisin para el uranio es

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Otro modelo:

Fisin nuclear

el ncleo de uranio, despus de absorber un

neutrn, en realidad se divida en dos piezas aproximadamente iguales. Esto era sorprendente,

porque hasta entonces las reacciones nucleares conocidas implicaban slo el desprendimiento

de un pequeo fragmento (por ejemplo, n, p a) de un ncleo. [n=neutrones, p=protones,

a=partcula alfa (4He)]

Este nuevo fenmeno se llam fisin nuclear. Ocurre mucho ms fcilmente para el 235U que para

el 238U ms comn

El proceso se puede visualizar al imaginar el ncleo de uranio como una gota lquida.

De acuerdo con este modelo de gota lquida, el neutrn que absorbe el ncleo

de 235U otorga al ncleo236U energa interna adicional (como al calentar una gota de agua).

Este estado intermedio, o ncleo compuesto, es (debido al neutrn absorbido). La

energa adicional de este ncleo (se encuentra en un estado excitado) aparece como

movimiento creciente de los nucleones (protones y neutrones) individuales, lo que hace que elncleo tome

formas alargadas anormales, figura 42-4. Cuando el ncleo se estira (en este modelo) a

la forma que se ilustra en la figura 42-4c, la atraccin de los dos extremos mediante la

fuerza nuclear de corto alcance se debilita enormemente por la creciente distancia de

separacin, la fuerza elctrica de repulsin se vuelve dominante, y el ncleo se divide

en dos (figura 42-4d). Los dos ncleos resultantes, X1 y X2, se llaman fragmentos de fisin, y en el

proceso tambin se ceden algunos neutrones (por lo general dos o tres).

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42-4

42-5

Algunos fsicos, incluido Fermi, reconocieron que los neutrones liberados

en cada fisin (ecuaciones 42-4 y 42-5) se podran utilizar para crear una reaccin

en cadena. Esto es, un neutrn inicialmente provoca una fisin de un ncleo de uranio;

los dos o tres neutrones liberados provocaran fisiones adicionales, de manera que el

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proceso se multiplica, como se ilustra de manera esquemtica en la figura 42-6.

Reaccin en cadena

Reactores nucleares:

Para que cualquier reactor nuclear pueda funcionar se tienen que superar muchos obstculos.

En primer trmino, la probabilidad de que ncleos de 235U absorban un neutrn

slo es grande en el caso de neutrones lentos, pero los neutrones emitidos durante una

fisin (que se necesitan para mantener una reaccin en cadena) se mueven muy rpido.

Se debe usar una sustancia conocida como moderador para frenar los neutrones. El moderador

ms efectivo consistir en tomos cuya masa est tan cerca como sea posible de

la de los neutrones. (Para ver por qu esto es cierto, recuerde que una

bola de billar que choca con una pelota de igual masa, la cual se encuentra en reposo,

puede detenerse luego de una colisin; pero una bola de billar que choca con un objeto

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pesado rebota con rapidez casi invariable.). El

istopo de hidrgeno llamado deuterio , no absorbe muchos neutrones y, por consiguiente,

casi es un moderador ideal. Tanto el deuterio como el hidrgeno se pueden usar en la forma de

agua. En el ltimo caso, es agua pesada, en la que los tomos de hidrgeno se sustituyeron

con deuterio. Otro moderador comn es el grafito

Para tener una reaccin en cadena autosostenida, en promedio, al menos un neutrn

producido en cada fisin debe provocar otra fisin. El nmero promedio de neutrones

por fisin que producen ms fisiones se llama factor de multiplicacin, f. Para

una reaccin en cadena autosostenida, se debe tener 1. Si f , 1 < 1, el reactor es

subcrtico.

Si > 1, es supercrtico (y podra volverse peligrosamente explosivo). Los

reactores estn equipados con varillas de control mviles (buenos absorbedores de

neutrones como cadmio y boro), cuya funcin es absorber neutrones y mantener el

reactor justo en su nivel crtico, = 1. La liberacin de neutrones y sus posteriores fisiones

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ocurren tan rpidamente que la manipulacin de las varillas de control para

mantener = 1no sera posible si no fuera por el pequeo porcentaje (~1%) de los

llamados neutrones retrasados. Estos neutrones provienen del decaimiento de fragmentos

de fisin (o sus derivados) ricos en neutrones, que tienen vidas en el orden de

segundos, suficiente para permitir el tiempo necesario de reaccin para operar las varillas

de control y mantener = 1.