Neutrón retardado

En ingeniería nuclear , un neutrón retardado es un neutrón que se libera no inmediatamente durante un evento de fisión nuclear , sino poco después, entre milisegundos y varios minutos más tarde. Estos neutrones son emitidos por núcleos hijos excitados de ciertos productos de fisión que experimentan desintegración beta . En cambio, los neutrones instantáneos se emiten casi instantáneamente, en aproximadamente 10⁻¹⁴ ^segundos , en el momento de la fisión.

Durante la fisión, un núcleo pesado se divide en dos fragmentos más pequeños y ricos en neutrones (productos de fisión), liberando varios neutrones libres conocidos como neutrones rápidos. Muchos de estos productos de fisión son radiactivos y suelen sufrir desintegración beta para alcanzar configuraciones más estables. En un pequeño subconjunto de casos, la desintegración beta de un producto de fisión da como resultado un núcleo hijo en un estado excitado con energía suficiente para emitir un neutrón. Este neutrón, emitido poco después de la fisión pero con un retraso debido al proceso de desintegración beta, se denomina neutrón retardado.

El retraso en la emisión de neutrones se debe al tiempo que tarda el nucleido precursor (el producto de fisión que se desintegra beta) en sufrir dicha desintegración, un proceso que lleva órdenes de magnitud más que la emisión inmediata de neutrones durante la fisión. Si bien el neutrón retardado se emite casi inmediatamente después de la desintegración beta, en realidad es liberado por el núcleo hijo excitado producido en dicha desintegración. Por lo tanto, la sincronización general de la emisión de neutrones retardados está determinada por la vida media de desintegración beta del precursor.

Los neutrones retardados son de vital importancia para el control de los reactores nucleares. Su aparición tardía permite una respuesta más lenta y controlable ante los cambios de potencia del reactor, lo que mejora significativamente tanto la estabilidad operativa como la seguridad.

Los neutrones retardados están asociados a la desintegración beta de los productos de fisión. Tras la emisión inmediata de neutrones de fisión, los fragmentos residuales siguen siendo ricos en neutrones y experimentan una cadena de desintegración beta. Cuanto mayor sea la concentración de neutrones en el fragmento, más energética y rápida será la desintegración beta. En algunos casos, la energía disponible en la desintegración beta es lo suficientemente alta como para dejar el núcleo residual en un estado de excitación tan elevado que se produce la emisión de neutrones en lugar de la emisión de rayos gamma .

Tomando como ejemplo el U-235 , este núcleo absorbe neutrones térmicos , y los productos de masa inmediatos de un evento de fisión son dos grandes fragmentos de fisión, que son remanentes del núcleo U-236 formado. Estos fragmentos emiten, en promedio, dos o tres neutrones libres (en promedio 2,47), llamados neutrones "inmediatos" . Un fragmento de fisión posterior experimenta ocasionalmente una etapa de desintegración radiactiva (que es una desintegración beta menos ) que produce un nuevo núcleo (el núcleo emisor) en un estado excitado que emite un neutrón adicional, llamado neutrón "retardado", para alcanzar el estado fundamental. Estos fragmentos de fisión emisores de neutrones se denominan átomos precursores de neutrones retardados.

Datos de neutrones retardados para la fisión térmica en U-235 ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Si un reactor nuclear alcanzara la criticidad inmediata —incluso de forma muy leve—, el número de neutrones aumentaría exponencialmente a un ritmo elevado, y muy rápidamente el reactor se volvería incontrolable mediante mecanismos externos. El control del aumento de potencia quedaría entonces a cargo de sus factores intrínsecos de estabilidad física, como la dilatación térmica del núcleo o el aumento de la absorción por resonancia de neutrones, que suelen disminuir la reactividad del reactor cuando aumenta la temperatura; sin embargo, el reactor correría el riesgo de sufrir daños o ser destruido por el calor.

Sin embargo, gracias a los neutrones retardados, es posible dejar el reactor en un estado subcrítico en lo que respecta únicamente a los neutrones rápidos: estos llegan un instante después, justo a tiempo para mantener la reacción en cadena cuando está a punto de extinguirse. En ese régimen, la producción total de neutrones sigue creciendo exponencialmente, pero en una escala temporal determinada por la producción de neutrones retardados, que es lo suficientemente lenta como para ser controlada (del mismo modo que una bicicleta inestable puede equilibrarse porque los reflejos humanos son lo suficientemente rápidos en la escala temporal de su inestabilidad). Por lo tanto, al ampliar los márgenes de inoperatividad y supercriticidad y permitir más tiempo para regular el reactor, los neutrones retardados son esenciales para la seguridad intrínseca del reactor , incluso en reactores que requieren control activo.

El menor porcentaje ^{[ 3 ]} de neutrones retardados hace que el uso de grandes porcentajes de plutonio en reactores nucleares sea más difícil.

La fracción de rendimiento del precursor β se define como:

${\displaystyle \beta ={\frac {\mbox{átomos precursores}}{{\mbox{neutrones rápidos}}+{\mbox{átomos precursores}}}}.}$

y es igual a 0,0064 para el U-235.

La fracción de neutrones retardados (DNF) se define como:

${\displaystyle DNF={\frac {\mbox{neutrones retardados}}{{\mbox{neutrones rápidos}}+{\mbox{neutrones retardados}}}}.}$

Estos dos factores, β y DNF , son casi lo mismo, pero no del todo; difieren en el caso de un cambio rápido (más rápido que el tiempo de desintegración de los átomos precursores) en el número de neutrones en el reactor.

Otro concepto es la fracción efectiva de neutrones retardados βeff , que es la fracción de neutrones retardados ponderada (en función del espacio, la energía y el ángulo) por el flujo _de neutrones adjunto. Este concepto surge porque los neutrones retardados se emiten con un espectro de energía más termalizado en relación con los neutrones rápidos. Para el combustible de uranio de bajo enriquecimiento que opera en un espectro de neutrones térmicos, la diferencia entre las fracciones promedio y efectiva de neutrones retardados puede alcanzar los 50 pcm . ^{[ 4 ]}

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• Reactores nucleares híbridos: neutrones retardados
• Beta no es la fracción de neutrones retardados (población). Archivado el 3 de septiembre de 2005 en Wayback Machine.