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Las reacciones en las que interviene un neutrón que impacta con un núcleo son, con gran diferencia, las más importantes de la El 60 Hombre Deportivas Baratas Hasta Skechers TiendasDescuento nOPXN80Zwkfísica nuclear aplicada. En ellas se basa el funcionamiento de los reactores nucleares.

Los núcleos de átomos pesados, al ser bombardeados con neutrones pueden dividirse en varios fragmentos formados por núcleos de átomos más ligeros, con emisión de neutrones y con un gran desprendimiento de energía. A este tipo de reacciones nucleares se las denomina reacciones de fisión nuclear. Las reacciones de fisión que tienen lugar en los reactores nucleares se producen con núcleos de átomos pesados (U, Pu, Th …).

Otras reacciones nucleares inducidas por neutrones son:

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  • De dispersión elástica, en las que el neutrón choca elásticamente con un núcleo, perdiendo parte de su energía, siendo menor esta pérdida cuanto mayor sea el número másico del núcleo con el que choca.
  • De dispersión inelástica, producida por neutrones de energía alta, con núcleos de elementos pesados, captura radiante (cuando el neutrón es absorbido por el núcleo con el que colisiona). La probabilidad de que esto ocurra disminuye con la energía del neutrón.

La dispersión elástica juega un papel fundamental en la moderación de la energía de los neutrones necesarios para aumentar el número de fisiones en ciertos reactores. Igualmente, la captura radiante permite la generación de nuevos isótopos fisionables.

Los productos de fisión son radiactivos, y dan lugar a unas series radiactivas formadas por varios nucleidos. A los neutrones inmediatos que aparecen en la fisión nuclear, se les denomina rápidos y se emiten con una alta energía y una muy alta velocidad. Estos neutrones que aparecen en el instante de la fisión provocan en el medio una serie de reacciones nucleares, entre las cuales, la fisión es la más importante, ya que dará lugar a las reacciones en cadena. Normalmente, el número de neutrones que aparecen por cada fisión es de 2 ó 3, según el núcleo que se fisione.

Desde el punto de vista energético, la energía total desprendida en la fisión nuclear inducida por neutrones procede de la energía cinética de los productos de fisión, aproximadamente el 80%, y el resto debido, básicamente, a los neutrones. Por término medio, la fisión de un núcleo de un átomo pesado (U, Th, Pu …) produce una elevada energía. Como referencia, si todos los núcleos contenidos en un gramo de U-235 fisionaran, llegarían a producir una potencia constante de 1 MW (1.000 kW) durante un día.

Las reacciones de fisión nuclear con neutrones no se producen de la misma forma en todos los núcleos. Existen los llamados:

  • Núcleos fisionables que pueden sufrir reacciones de fisión con neutrones de cualquier energía.
  • Núcleos fértiles que pueden producir núcleos fisionables mediante reacciones de captura neutrónica, a lo que alude su nombre; también fisionan, pero sólo con neutrones de muy alta energía.

De los núcleos que interesan para ser fisionados en los reactores (U, Th y Pu), los isótopos fértiles son aquellos que tienen un número par de nucleones, mientras que los fisionables son los que disponen de un número impar de ellos. De entre los primeros: U-238, Pu-240, Th-232 son los más importantes, mientras que entre los fisionables destacan: U-233, U-235, Pu-239, Pu-241.

La capacidad de fisión de los núcleos se mide a través del valor de la sección eficaz que presentan para la fisión (a mayor sección eficaz, mayor probabilidad de fisión), que depende de la energía de los neutrones que interaccionan con dichos núcleos. A medida que dicha energía disminuye, la sección eficaz aumenta y, por tanto, la capacidad de fisión. Por tanto, la fisión es más probable con neutrones térmicos (lentos) que con los rápidos. Así pues, los núcleos fisionables, a pesar de sufrir estas reacciones con cualquier neutrón, fisionarán en mayor cantidad cuando los neutrones sean térmicos, mientras que los núcleos fértiles, al tener  umbrales de fisión altos, sólo fisionarán con los rápidos.

El uranio, empleado como combustible de un reactor nuclear, aparece en forma natural con los isótopos U-235 y U-238. El primero es un elemento fisionable, y el segundo es fértil. Mientras que en el U-235 se producen cerca del 97% de todas las fisiones de un reactor con neutrones térmicos, el U-238 puede producir Pu-239 mediante reacciones de captura. Este elemento fisiona de forma similar al U-235, aumentando la proporción de fisiones. El torio, elemento que existe en forma abundante en la Naturaleza, se presenta en su totalidad como torio-232, que mediante reacciones de captura produce el uranio-233, empleado como elemento fisionable en los reactores.

Tal como se ha indicado, en las reacciones de fisión inducidas por neutrones aparecen nuevos neutrones en número comprendido entre 2 y 3 según sea el núcleo que sufra la fisión. Estos neutrones pueden, a su vez, provocar nuevas fisiones, existiendo la probabilidad de que se produzca una reacción en cadena.

A partir de este concepto, se define un reactor nuclear como la instalación capaz de iniciar, mantener y controlar las reacciones de fisión en cadena. Éstas tienen lugar en el núcleo del reactor, compuesto por el combustible a base de núcleos fértiles y fisionables, el refrigerante, los elementos de control, materiales estructurales y moderador en los reactores nucleares térmicos.

Los neutrones producidos en la fisión, al moverse en el núcleo del reactor, pueden producir nuevas fisiones o ser capturados en los materiales constituyentes. Así, si en un cierto instante existen (n) neutrones en el reactor, como consecuencia de los procesos indicados, al cabo de un cierto tiempo han desaparecido todos y dan lugar a una nueva generación de neutrones (n') que aparecen por fisiones. Se denomina constante de multiplicación a la relación entre los neutrones de dos generaciones sucesivas.

K = n' / n

Esta relación puede tomar varios valores:

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  • K = 1, en cuyo caso se producen tantos neutrones como desaparecen,denominándose al reactor crítico.
  • K < 1, en cuyo caso la reacción en cadena no se puede mantener, pues al producirse menos neutrones de los que desaparecen, al cabo de un cierto tiempo el número total de neutrones se anulará. Este estado del reactor es el denominado subcrítico.
  • K > 1, en esta situación, denominada supercrítica, la aparición de más neutrones que los que desaparecen dará lugar a un estado divergente.

La operación normal de un reactor deberá realizarse siempre en condiciones de criticidad, es decir, con K = 1, salvo en los instantes de la puesta en marcha, y en las paradas, en los que será subcrítico.

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