Material fisionable

En ingeniería nuclear , el material fisionable es aquel que puede experimentar fisión nuclear al ser impactado por un neutrón de baja energía. ^{[ 1 ]} Una reacción en cadena térmica autosostenida solo puede lograrse con material fisionable. La energía predominante de los neutrones en un sistema puede caracterizarse por neutrones lentos (es decir,  un sistema térmico) o neutrones rápidos. El material fisionable puede utilizarse como combustible para reactores de neutrones térmicos , reactores de neutrones rápidos y explosivos nucleares .

El término fisible es distinto de fisionable . Un nucleido que puede sufrir fisión nuclear (incluso con baja probabilidad) tras capturar un neutrón de alta o baja energía ^{[ 2 ]} se denomina fisionable . Un nucleido fisionable que puede sufrir fisión con alta probabilidad tras capturar un neutrón térmico de baja energía se denomina fisible . ^{[ 3 ]} Los materiales fisionables incluyen aquellos (como el uranio-238 ) para los que la fisión solo puede ser inducida por neutrones de alta energía. En consecuencia, los materiales fisibles (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 el umbral requerido para la fisión; por lo tanto, el uranio-235 es fisionable. En cambio, 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 fisionable. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Una definición alternativa define los nucleidos fisionables como aquellos que pueden experimentar fisión nuclear (es decir,  son fisionables) y también producen neutrones a partir de dicha fisión que pueden mantener una reacción en cadena nuclear en el entorno adecuado. Según esta definición, los únicos nucleidos que son fisionables pero no fisionables son aquellos que pueden experimentar fisión nuclear pero producen neutrones insuficientes, ya sea en energía o en cantidad, para mantener una reacción en cadena nuclear . Por lo tanto, si bien todos los isótopos fisionables son fisionables, no todos los isótopos fisionables son fisionables. En el contexto del control de armas , particularmente en las propuestas para un Tratado de Prohibición de Materiales Fisionables , el término fisionable se usa a menudo para describir materiales que pueden usarse en el primario de fisión de un arma nuclear. ^{[ 6 ]} Estos son materiales que mantienen una reacción en cadena de fisión nuclear explosiva de neutrones rápidos .

Según todas las definiciones anteriores, el uranio-238 ( ²³⁸⁾El U ) es fisionable, pero no fisible. Los neutrones producidos por la fisión del ²³⁸Los U 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 causar la fisión posterior del ^238.   U , por lo tanto, fisión de ²³⁸El U no mantiene una reacción en cadena nuclear .

Fisión rápida de ²³⁸El uranio en la etapa secundaria de un arma termonuclear, debido a la producción de neutrones de alta energía por fusión nuclear , contribuye en gran medida al rendimiento y a la lluvia radiactiva de dichas armas. Fisión rápida del ²³⁸También se han detectado alteraciones de uranio en armas de fisión pura. [ ^{7 ] La} fisión rápida del ²³⁸El uranio también contribuye significativamente a la potencia de salida de algunos reactores de neutrones rápidos .

En general, la mayoría de los isótopos de actínidos con un número impar de neutrones 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 obtienen entre 1 y 2  MeV adicionales de energía al absorber un neutrón extra, debido al efecto de apareamiento que favorece los números pares tanto de neutrones como de protones. Esta energía es suficiente para proporcionar la energía adicional necesaria para la fisión por neutrones más lentos, lo cual es importante para 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 másico atómico, son más estables que otros; por lo tanto, tienen menos probabilidades de sufrir fisión. Tienen más probabilidades de "ignorar" el neutrón y dejar que siga su camino, o bien de absorber el neutrón pero sin obtener suficiente energía del proceso como para deformar el núcleo lo suficiente como para que se produzca la fisión. Estos isótopos "par-par" también tienen menos probabilidades de sufrir 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 otro lado, 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 excepción notable es el neptunio-236 con una vida media de 154 000 años) porque se desintegran fácilmente por emisión de partículas beta a sus isóbaros con un número par de protones y un número par de neutrones ( Z par , N par ), que se vuelven mucho más estables. La base física de este fenómeno también proviene del efecto de apareamiento en la energía de enlace nuclear, pero en este caso tanto del apareamiento protón-protón como neutrón-neutrón. La vida media relativamente corta de estos isótopos pesados ​​impares-impares significa que no están disponibles en grandes cantidades y son altamente radiactivos.

Según la regla de fisibilidad propuesta por Yigal Ronen, para un elemento pesado con Z entre 90 y 100, un isótopo es fisionable si y solo si 2 × Z − N ∈ {41, 43, 45 } (donde N = número de neutrones y Z = número de protones ), con algunas excepciones. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Esta regla se cumple para todos los nucleidos excepto catorce: siete que satisfacen el criterio pero no son fisionables, y siete que son fisionables pero no satisfacen el criterio. ^{[ nota 1 ]}

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 por captura de neutrones.
• Se libera, en promedio, más de un neutrón por cada captura de neutrón. (Suficientes en cada fisión para compensar las no fisiones y las absorciones en materiales que no son combustible).
• Tienen una vida media razonablemente larga.
• Estar disponible en cantidades adecuadas.

Los nucleidos fisionables en los combustibles nucleares incluyen:

• El uranio-233 se obtiene a partir del torio-232 mediante 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 , generado a partir de uranio-238 mediante captura de neutrones, omitiendo los pasos de desintegración intermedios.
• Plutonio-241 , generado a partir de plutonio-240 directamente mediante captura de neutrones.

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

Los nucleidos fértiles en los combustibles nucleares incluyen:

• El torio-232 , que produce uranio-233 mediante captura de neutrones, omitiendo los pasos de desintegración intermedios.
• El uranio-238 , que produce plutonio-239 mediante 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