¿Qué detiene la reacción en cadena durante una explosión nuclear?

Answer 1

Cuando una masa crítica de material fisionable (en el núcleo de un arma nuclear) es implosionada en una pequeña esfera por explosivos circundantes, la reacción en cadena que divide los átomos y libera neutrones para dividir otros átomos ocurre rápidamente. La temperatura aumenta a millones de grados y todo el material fisible se convierte en plasma y comienza a expandirse.

A medida que se expande hacia afuera a cientos de miles de metros por segundo, la reacción en cadena comienza a descomponerse porque los átomos se están separando rápidamente, por lo que los neutrones no encuentran muchos núcleos para dividirse. Se estima que la bomba de Hiroshima solo fisiona el 1.3% de sus 60 kg de U235. Los iniciadores nucleares modernos son mucho más eficientes e inicialmente generan un porcentaje mucho mayor de Pu239 (hasta un 40%) que se comprimen rápidamente en una pequeña esfera por los explosivos químicos circundantes.

En los dispositivos termonucleares modernos, el plasma caliente en expansión del iniciador, los rayos X y los neutrones pasan a través de una fuente de tritio (como el litio) y se reflejan de nuevo en una carcasa metálica densa llamada tamper. Esto le da a la reacción en cadena del núcleo a una segunda etapa cuando el material no fisionado es golpeado por una nueva explosión de neutrones del pisón y la fusión del tritio que luego divide más Pu-238.

En ambos casos, todo esto sucede en microsegundos y una vez que el núcleo de la bomba se ha expandido más allá de cierto punto, la reacción en cadena disminuye rápidamente, pero no antes de que se libere una enorme cantidad de energía.

Answer 2

El detalle básico es que las reacciones conducidas por neutrones son muy, muy, muy diferentes de los incendios / explosiones químicas a nivel atómico.

El fuego químico se propaga directamente en todas las direcciones a sus átomos vecinos. Mientras haya suficiente oxígeno u otro oxidante como flúor, cloro o azufre, y suficiente calor (energía), el fuego / explosión continúa. Los explosivos altos incluso tienen sus propios grandes suministros de oxígeno dentro de sus propias moléculas.

Los neutrones no funcionan así, su reacción es probabilística, depende de la energía de neutrones y su sección transversal de fisión depende también del isótopo objetivo.

No es raro que un neutrón se salte miles o incluso millones de átomos antes de que finalmente golpee algo.

En las armas nucleares modernas, se utilizan procesos sofisticados para comprimir el material nuclear que primero se fisiona, y se usan fuentes de neutrones bastante potentes para producir rápidamente una gran cantidad de neutrones, esto reduce significativamente la cantidad de isótopos que se saltan en promedio antes de que un neutrón encuentre un objetivo, pero aún está muy lejos de la simplicidad de las reacciones químicas.

Esto evita el consumo total / casi total de materiales fisibles en armas nucleares, incluso los más sofisticados.

Todo lo que se necesita para la reacción de fisión en cascada es que el material fisible se propague demasiado o que ya se hayan agotado suficientes átomos fisibles, haciendo que todo el sistema sea subcrítico (produciendo menos neutrones de los que se consumen).

Esta misma característica evita que los reactores nucleares consuman completamente su combustible nuclear, aunque el combustible no se está expandiendo (al menos no tanto como en una explosión nuclear), el combustible está diseñado desde el primer momento para tener muy poca reactividad en exceso (capacidad para producir más neutrones que los consumidos) incluso en escenarios extremos, y a medida que el combustible nuclear se consume durante meses y años, se producen venenos de neutrones (isótopos más pequeños que les gusta comer neutrones y no producir neutrones a cambio), además del combustible nuclear siendo consumido también

Answer 3

En las explosiones nucleares, la mayoría de las veces, la reacción en cadena se detiene debido a la falta de material fisionable.

No conozco muchos detalles, pero con la progresión de la reacción en cadena en una explosión (es una explosión porque ha habido una reacción en cadena), el material fisible se agota rápidamente y los neutrones (o cualquier otra partícula iniciadora) que se están produciendo no pueden encontrar núcleos objetivo que puedan inducir fisión o fusión. En efecto, la sección transversal de neutrones disminuye. No estoy seguro de si hay una contribución a la disminución de la reacción en cadena debido a que los neutrones no tienen la velocidad adecuada para ser capturados (no estoy seguro de si el término sección transversal de neutrones ya explica esto)

Editar : Robert Black ha hecho un punto importante en los comentarios y quería agregarlo a la respuesta.

También tiene que ver con la proximidad. Durante la detonación, solo una pequeña porción del material fisionable se usa realmente. El resto es forzado a separarse violentamente después del evento de implosión inicial. Así se detiene la reacción en cadena.