¿Por qué la fisión nuclear solo ocurre en masa crítica?

Answer 1

Si dispara un neutrón en un núcleo de uranio, puede hacer que se divida en partes pequeñas (un núcleo de bario y un criptón, por ejemplo). La cantidad de protones es la misma, pero los núcleos más pequeños no necesitan tantos neutrones. Entonces, los restantes (todos N) se liberan a las energías dadas por las cantidades diferenciales de energía de unión requeridas. Una cierta proporción, a, de esos neutrones llegará a otros núcleos de uranio, mientras que la otra proporción (1-a) escapará sin hacer nada más.

Esta es la esencia de la reacción en cadena. El primer neutrón conducirá a k neutrones (donde k = a * N) algún pequeño intervalo de tiempo más tarde, y por lo tanto a k ^ 2 electrones un intervalo más tarde, k ^ 3 después de eso, y así sucesivamente.

Sin embargo, la pregunta es si k 1.

Solo si tiene suficientes átomos de uranio alrededor puede alcanzar k> 1.
Entonces, en una bomba, esto es todo lo que necesitarías.

Sin embargo, en una estación de energía nuclear, debe equilibrar k exactamente a 1. Para hacerlo, comience con k un poco más grande que uno (por lo que se requiere más de la masa crítica nuevamente) y luego mueva las barras de control que absorben neutrones. (o en última instancia, moviendo las barras de combustible) para que k siempre se mueva alrededor de la figura k = 1.

Answer 2

La fisión nuclear ocurre aleatoriamente todo el tiempo a un nivel bajo. A una masa crítica, los átomos de fisión suficientes para crear una reacción en cadena sostenida, donde la liberación de energía se acumula exponencialmente sobre cada generación de eventos de fisión.

Answer 3

La fisión nuclear en realidad ocurre todo el tiempo en un material radiactivo. Hay algunos materiales radiactivos que liberan partículas alfa, otros beta y otros liberan gamma. Pero hay algunos materiales radiactivos que liberan neutrones cuando se fisionan. Estos son los que se necesitan para una masa crítica.

A medida que aumenta la cantidad de material fisionable, estos neutrones chocan con otros átomos y también hacen que se fisionen. Por debajo de la masa crítica, se escapan más neutrones del metal de los que se crean y no sucede mucho. Sin embargo, cuando se alcanza una masa crítica, se forman tantos neutrones como se capturan y la masa comienza a calentarse. Esta es la situación en un reactor nuclear. Pero si la masa aumenta una fracción más, los neutrones aumentan rápidamente y en microsegundos la masa se calienta y se convierte en una explosión. Si la masa crítica se diseña adecuadamente, el resultado es una explosión atómica.

Answer 4

La fisión ocurre todo el tiempo como en algunos isótopos pesados ​​como el plutonio 240. Ya sea espontáneamente o por patadas externas como rayos cósmicos.

Fisión espontánea – Wikipedia

Lo que es diferente con la masa crítica es que la reacción se convierte en una reacción en cadena autosostenida. En los reactores nucleares, la reacción en cadena tiende a nivelarse en cierto nivel. En las bombas, la reacción se multiplica e intensifica una y otra vez hasta que el nivel de liberación de energía es catastrófico.

Imagine una mesa cubierta con una fina capa de pólvora versus plástico altamente explosivo. En esas condiciones, la característica de la pólvora es quemar, no explotar.

Por debajo de la masa crítica, si el isótopo no se auto fisión, debe seguir agregando neutrones de una fuente externa para mantener la fisión. La fuente externa de neutrones podría decirse de un acelerador cercano o un núcleo de reactor en funcionamiento cercano (como se ve en los reactores reproductores).

Answer 5

La fisión espontánea es un posible modo de descomposición en algunos isótopos. Es un evento aleatorio, al igual que otros modos de descomposición.

Una reacción en cadena de eventos de fisión es posible en circunstancias especiales para los aún menos isótopos que son capaces de estimular la pronta fisión de los neutrones. La circunstancia clave es que al menos uno de los neutrones de un evento de fisión debe desencadenar otro evento de fisión. Una de las formas en que esto puede suceder es si hay suficientes núcleos susceptibles lo suficientemente cerca como para que uno de los neutrones que proviene directamente de un evento de fisión pueda desencadenar otro evento de fisión. La energía de los neutrones producidos también es un factor. Si la energía del neutrón producido puede reducirse de alguna manera, aumenta la posibilidad de que pueda desencadenar otro evento de fisión. Esto significa que podemos lograr que una cadena de fisión reaccione con menos de una masa crítica haciendo algo para “moderar” los neutrones. Los materiales que absorben, reflejan o disminuyen la velocidad de los neutrones se pueden colocar para hacer que ocurra una reacción en cadena de fisión con menos de una “masa crítica” real.