¿Cuál es la diferencia entre la fisión nuclear en los reactores nucleares y las bombas nucleares?

Answer 1

A2A

Todos los reactores de potencia comerciales en el mundo usan neutrones lentos (“térmicos”) para obtener su combustible. Todas las bombas de fisión se basan únicamente en la fisión rápida.

La fisión rápida utiliza los neutrones “rápidos” liberados directamente al dividir el núcleo para mantener la reacción en cadena. Esto es esencial para fabricar una bomba, ya que la reacción en cadena debe tener lugar antes de que haya tiempo para que el núcleo de la bomba se vaporice y se disperse. Una explosión de bomba de fisión es una carrera entre la reacción en cadena y la expansión del núcleo de la bomba caliente, que finalmente detiene la reacción en cadena de la fisión. En una bomba, la reacción en cadena crece exponencialmente hasta que la bomba se desmonta (explota).

En un reactor de potencia, los neutrones son ralentizados por un moderador (hidrógeno regular en forma de agua en casi todos los casos) hasta que tenga la misma energía cinética que las moléculas moderadoras. Como esa energía cinética se debe a la energía térmica del moderador, un neutrón tan lento se llama neutrón “térmico”. Esto hace que la reacción en cadena sea mucho más lenta, lo cual es muy bueno, ya que ayuda a que el reactor sea fácil de controlar. Otra ventaja: la sección transversal de la reacción de fisión del U-235 es mucho mayor para los neutrones térmicos, lo que ayuda al diseño del reactor. En un reactor, la reacción en cadena (después del arranque) es “estacionaria”, no crece ni disminuye, pero permanece en el mismo nivel estable.

Answer 2

Como respondieron otros, la reacción real es idéntica. El desafío para una bomba de fisión es que necesita que la reacción crezca lo suficientemente rápido como para generar tanta energía como sea posible antes de que la bomba de fisión se destruya físicamente. Una vez que se inicia la reacción, tiene muy poco tiempo para maximizarla antes de que todo el uranio se haya separado físicamente en un estado subcrítico. Después de eso, no se liberará más energía significativa.

Answer 3

Superficialmente: ninguno.

En detalle:

• Una bomba de fisión de uranio contendrá uranio 235 casi puro, mientras que un reactor contendrá una mezcla de U235 (1 por ciento) y U238. Principalmente fisión U235, pero como U238 también está involucrado, los subproductos cambian.
• Una bomba de plutonio fisionará principalmente plutonio, que también podría usarse en un reactor, pero ciertamente nunca es puro.
• La velocidad de los neutrones es diferente. En un reactor (generalmente) los neutrones son moderados (ralentizados). En la bomba, los neutrones son rápidos, cambiando la forma exacta en que ocurre la fisión.

En general, los detalles sucios (literalmente) de qué productos de fisión se producen en qué cantidad es diferente. Uno puede distinguir fácilmente los elementos radiactivos en una lluvia de bombas del material de una “bomba sucia” que explota los desechos del reactor.

Answer 4

Pronta criticidad.

Cuando las cosas se calientan, se expanden. Cuando se expande, pierde reactividad. Piense en la reactividad como la proporción de neutrones en una generación con respecto a los de la generación anterior. Si la reactividad es mayor que uno, la velocidad de reacción aumenta exponencialmente. Si es menor que uno, la velocidad de reacción disminuye exponencialmente. Una masa crítica tiene una reactividad igual a exactamente una, pero es importante entender que una masa crítica se caracteriza por algo más que su masa. También es la densidad, la temperatura y los materiales a su alrededor lo que hace que una masa de uranio o plutonio sea crítica.

Cuando una bomba nuclear dona, el combustible se calienta mucho y se expande muy rápido. Si va a ser cualquier cosa menos un fracaso, la mayoría de las fisiones deben ocurrir en un tiempo muy breve, como decenas de microsegundos. Esto requerirá un tiempo de generación muy corto, y aun así habrá solo 40 generaciones más o menos. El número de fisiones necesarias es comparable al número de Avogadro (6e23), por lo que una bomba requiere un gran factor exponencial entre generaciones. El corto tiempo de generación y el gran factor exponencial son diferencias importantes entre las bombas y las centrales eléctricas.

Cuando un átomo se fisiona, la mayoría de los neutrones se generan de inmediato. Estos son los neutrones rápidos. Una pequeña cantidad, menos del 1%, proviene de los productos de fisión más tarde, unos segundos o incluso un minuto más tarde. Estos son los neutrones retrasados.

Los neutrones retrasados ​​llegan demasiado tarde para ser utilizados en una bomba. Una bomba debe cambiar su geometría muy rápidamente de ser subcrítica a ser supercrítica cuando se consideran solo los neutrones rápidos. En realidad, la bomba requiere una reactividad mucho mayor que la pronta criticidad.

Se realiza mediante el uso de altos explosivos en forma de lentes explosivas para exprimir el material nuclear en densidades imposibles de alcanzar. Incluso sin una reacción en cadena nuclear, el material no permanecerá en este estado por más de unas pocas docenas de microsegundos.

Una planta de energía tiene horas y miles de millones de generaciones de neutrones para cambiar los niveles de energía. La pronta criticidad es innecesaria y no deseada. Los reactores son apenas críticos, incluso incluyendo sus neutrones retrasados. Las barras de combustible incluyen material llamado venenos quemables que reducen la reactividad del combustible fresco cerca de uno. A medida que el U235 se agota y su reactividad disminuye, los venenos quemables también se agotan y también su efecto negativo, de modo que el conjunto de combustible se mantiene aproximadamente a la reactividad = uno.

Se bombean grandes cantidades de agua a través del núcleo para enfriarlo, lo que, entre otras cosas, también controla la cantidad de expansión térmica que ocurre. Si el núcleo se sobrecalienta, se volverá subcrítico. Si el núcleo hierve su refrigerante, se vuelve subcrítico (el agua reduce la velocidad de los neutrones y los hace más propensos a causar fisión). Este aspecto de seguridad particular, por cierto, es lo que detuvo la escalada de los desastres de Chernobyl y Fukushima. En ambos casos, los núcleos se derritieron y vaporizaron toda su agua. La escoria resultante está submoderada y no puede mantener una reacción en cadena. Eso no es una coincidencia, sino más bien un simple resultado de un diseño sencillo.