¿Es cierto que ambos funcionan según el mismo principio: la reacción interactiva de fisión en cadena? 235 U / 239 Pu ¿y el bombardeo del uranio-235 por neutrones rápidos produce una reacción de fisión en cadena acompañada de una enorme energía térmica además de radiaciones beta y gamma?
Se sabe que los productos de fisión más probables son 94 Sr amu y 140 Xe amu más dos neutrones rápidos. Si ambas reacciones son en cadena y casi instantáneas, ¿por qué no?
Un reactor nuclear no puede explotar como un arma nuclear.
Para un reactor térmico -como los de Chernóbil o Three Mile Island- el tiempo de generación de neutrones es demasiado largo.
Para un reactor rápido (y un reactor térmico) no existe ningún mecanismo para crear y mantener un conjunto crítico superrápido lo suficientemente largo como para que se produzca una liberación significativa de energía a partir de la fisión.
Hay que trabajar muy duro para ensamblar el material correcto para crear un arma nuclear; es necesario crear un sistema que sea superpronto crítico utilizando neutrones rápidos y que permanezca así el tiempo suficiente para que la reacción en cadena produzca suficiente energía antes de que la presión provoque el desensamblaje en una configuración no crítica. Por supercrítico inmediato se entiende supercrítico sólo con los neutrones inmediatos, sin tener que esperar a que contribuyan los neutrones retardados. Véase Los Alamos Primer de Serber, disponible en Amazon: las primeras notas sobre la física de un arma de fisión de Los Álamos al comienzo del proyecto Manhattan.
Las explosiones de Chernóbil fueron una explosión de vapor y una explosión química provocada por la reacción del oxígeno con el grafito aerosolizado (en Three Mile Island la explosión se produjo por la reacción del oxígeno con el hidrógeno liberado por la oxidación del revestimiento de combustible de zircalloy sobrecalentado).
Para un reactor nuclear, la preocupación de seguridad es la eliminación del calor de desintegración procedente de la desintegración radiactiva de los productos de fisión una vez finalizado el proceso de fisión. El calor de desintegración representa aproximadamente el 5% de la potencia total en el momento de la parada.
Uno de los principales problemas del diseño de Chernóbil es que el núcleo estaba demasiado moderado. En concreto, el grafito era el moderador y el agua de refrigeración no era necesaria como moderador y, de hecho, actuaba como veneno neutrónico. Así que cuando se perdió el agua de refrigeración aumentó la potencia del reactor: retroalimentación positiva. El antiguo reactor N de EE.UU. era un reactor moderado por grafito y refrigerado por agua que se utilizaba para producir Pu para el programa de armamento, pero se diseñó específicamente para no tener este problema.
Además, Chernóbil no tenía un sistema robusto de contención del reactor, sino un sistema de confinamiento del reactor.
En resumen, la falta de una estructura de contención alrededor de cualquier reacción nuclear de fisión en cadena provocará que el núcleo (material nuclear) se rompa o decaiga rápidamente lo suficiente como para que la reacción en cadena sea insostenible.
Las bombas nucleares utilizan un contenedor resistente y (normalmente) mucho explosivo de gran potencia para obligar al núcleo a mantenerse denso hasta que la reacción en cadena alcanza tasas de fisión extremadamente altas. En ese momento, la explosión sigue haciendo estallar el núcleo, pero la energía total liberada es "grande".
Si no recuerdo mal, los núcleos de las bombas de Hiroshima y Nagasaki sólo fisionaron alrededor del 5% de la materia nuclear.
Hay tres grandes cuestiones en juego.
Cuando se produce la fisión, se emiten entre 2 y 3 neutrones. Estos neutrones son rápido neutrones, es decir, tienen un energía neutrónica, o energía cinética . En un reactor, son frenados por un moderador para convertirse en un "neutrón térmico".
En un reactor, el nombre del juego es fisión sostenible - es decir, cada fisión causa 1,0 fisiones adicionales. (o tal vez 1,02 si estás tratando de aumentar la potencia.) A 1,0 esto se llama "criticidad" . Superar 1,0 es "supercrítico" (por encima de crítico). Pero los reactores no están diseñados para superar la criticidad por mucho, ¿por qué darle la capacidad de algo que nunca, nunca debe hacer?
Para el combustible típicamente utilizado en un reactor, los neutrones rápidos obtener malos resultados . Es mucho menos probable que provoquen otra fisión que un neutrón térmico. Incluso una pequeña reducción del rendimiento rompe la capacidad de mantener la criticidad. Si se permitiera que los neutrones rápidos se desbocaran en un reactor, éste se apagaría sin más.
Y moderación lleva tiempo . Eso será importante.
Fíjate bien en la tabla periódica. Observa que a medida que los átomos son más grandes, tienen proporcionalmente más neutrones por protón.
Cuando el uranio-235 se fisiona, expulsa 0-3 neutrones y se divide en dos nuevos átomos con (entre ambos) 140-143 neutrones y 92 protones. Eso sigue siendo una proporción de 1,52-1,55 --. una proporción demasiado alta para los átomos más pequeños se convierten en .
Por ejemplo, un producto de fisión común es el Yodo-135. 82 neutrones 53 protones (relación 1,54, como era de esperar) y eso está muy lejos para el yodo. ¡8 neutrones de más!
Esto hará que los nuevos átomos "decaigan" a través de varios modos de desintegración. Un modo de desintegración es la "emisión de neutrones", es decir, "lanzan" uno o dos neutrones de más. En tiempo que tarda se denomina "vida media". (ya estamos otra vez con el "tiempo").
Estos con retraso Los neutrones forman parte de la economía neutrónica del reactor, y éste está diseñado para depender de ellos. Esto ralentiza la reactividad del reactor para que esté dentro de los tiempos de reacción humanos. Para que un reactor pueda mantener la criticidad totalmente con " consulte neutrones (generados inmediatamente)" sería malo y hacer que el reactor extremadamente incontrolable.
He mencionado el yodo-135. Que decae (vía beta; un neutrón se convierte en un protón) en Xenón-135 que le encanta "comer" neutrones . (convirtiéndose en Xenón-136 inofensivo). Normalmente, esto sólo se tiene en cuenta en la "economía de neutrones" del reactor, pero si se realiza una reducción de potencia y se mantiene durante 8-16 horas, el I-135 producido previamente por la operación a plena potencia se convertirá en Xe-135 mientras el reactor está a potencia reducida . Esta cantidad desproporcionada de Xe-135 "envenenará el reactor" en lo que se denomina un "pozo de xenón" o "pozo de yodo".
El xenón se desintegra por sí solo al cabo de unas 24 horas (en el nocivo Cs-135). Pero si no puede esperar, algunos reactores incluyen barras de control adicionales que pueden extraerse para aumentar la reactividad lo suficiente como para llegar a un estado crítico y utilizar neutrones para quemar el Xe-135. Obviamente, esto es arriesgado. Es mucho más arriesgado si su reactor tiene un extraño diseño de barras de control que aumenta reactividad cuando se empiezan a insertar las barras de control, y entonces, se insertan todas a la vez. (Y que es como explota un reactor RBMK).
La criticidad inmediata es muy fácil: basta con juntar suficiente material fisible para que se produzca. Se generará una cantidad de energía exponencialmente creciente hasta que... esa energía separe el material y ya no haya masa crítica. Esto pone fin a la criticidad.
Y eso es lo que ocurrió en Chornobyl: la excursión de potencia provocó una explosión de vapor que voló el reactor en pedazos, incapacitándolo para seguir siendo crítico.
Ese es el problema de hacer una bomba: quieres que la bomba haga algo más que partir la masa crítica en dos y abandonar, como hace en accidentes de criticidad . OK, así que construyes la bomba para que sea supercrítica altamente pronta, de modo que todo el combustible se fisione en un microsegundo (antes de que la masa pueda desensamblarse físicamente). La unidad de tiempo que utilizan se llama "shake" . (de la cola de un cordero).
E incluso si resuelves todo eso, hay otro problema. Para llegar a "supercrítico altamente puntual", debes pasar por "apenas crítico". Y te mueves "a la velocidad de las cosas", así que hacen falta un montón de batidos. Y probablemente una hamburguesa con patatas fritas. Si la fisión comienza antes del ensamblaje completo, la nuclear energía desarrollada se opondrá a la energía de montaje y ganará, provocando un Desmontaje Rápido No Programado antes de que el montaje pueda terminar. Así que el rendimiento nuclear será extremadamente pobre.
A [fizzle](https://en.wikipedia.org/wiki/Fizzle(nuclearexplosion)) de algo destinado a ser una bomba. Es difícil hacerlo mejor por accidente.
Todo esto para decir que hacer que una bomba funcione es super, super duro incluso cuando lo intentas de verdad. No es algo que vaya a suceder por accidente, especialmente no en una máquina que está diseñada para ser incapaz de hacer eso.
Para ampliar La excelente respuesta de John Darby con respecto a Chernóbil específicamente, donde En realidad, para responder a la pregunta original, hay una corriente de pensamiento que piensa que sí podría haberlo hecho.
John escribe:
Las explosiones de Chernóbil fueron una explosión de vapor y una explosión química. química causada por la reacción del oxígeno con el grafito aerosolizado.
Tengo entendido que todavía hay cierto grado de debate científico al respecto, lo cual es relevante para su pregunta original. Voy a plantear otra hipótesis sobre el origen de la primera explosión mencionada aquí. No es la mía -ni estoy comprometido con ella- y existe la posibilidad de que haya sido refutada posteriormente. Dicho esto
Estas dos explosiones fueron presenciadas por varios testigos presenciales, tanto en la planta como por pescadores en otros lugares. Ambas explosiones fueron grandes, y la segunda, y más grande, se produjo un par de segundos después de la primera. En general, se cree que la primera fue una explosión de vapor en la que la energía del agua caliente de refrigeración junto con la energía generada en el núcleo del reactor presurizaron el vapor casi instantáneamente y hasta tal punto que éste falló catastróficamente bajo carga. Algunos autores estiman que la potencia del RBMK reactor se multiplicó al menos por 100 por encima de su valor de diseño de 3,2 GW (térmicos) durante unos segundos. La siguiente explosión se describe a menudo como una explosión de hidrógeno, en la que el agua presente es hidrolizada por las temperaturas y presiones extremas que presenta el revestimiento de la barra de combustible de circonio, produciendo hidrógeno y oxígeno (que posteriormente explotan e incendian el moderador de grafito).
Sin embargo, algunos autores han postulado una hipótesis de "chorro nuclear" que corresponde a que esta explosión inicial es un evento de criticidad inmediato y la segunda explosión fue química. La principal prueba de esta hipótesis, planteada por primera vez en 2009, proviene de la localización geográfica de dos radioisótopos del xenón, $^{133}$ Xe y $^{133m}$ Xe, que se detectaron experimentalmente en Cherepovets (ciudad rusa situada a 370 km al norte de Moscú y a 1.000 km al noreste de Chernóbil) unos cuatro días después de la explosión. Estos isótopos de xenón tienen una vida media de 5,24 días y 2,19 días respectivamente; en la fisión "ordinaria" de un reactor, su proporción puede estimarse mediante simulaciones de Monte-Carlo, en las que el proceso de fisión se modela computacionalmente. Cabe señalar que este tipo de simulaciones están muy bien consideradas; en mi trabajo profesional (como físico médico) hay dos paquetes que se utilizan mucho, MCNP4 (que requiere una licencia de exportación del gobierno de EE.UU., afirma tener un millón de horas-hombre de programación detrás de él, y, creo, maneja la fisión de manera excelente) y Geant4 (que, al estar escrito por CERN y lanzado al mundo como software de código abierto, no).
Los tres autores de este documento Los autores de este estudio, de la Agencia Sueca de Investigación para la Defensa, el Instituto Meteorológico e Hidrológico y la Universidad de Estocolmo, lo han realizado con precisión para el tipo de reactor RMBK utilizado en Chernóbil y han calculado una relación de ramificación para estos dos isótopos en función de los distintos niveles de potencia y, por tanto, de lo que cabría esperar que estuviera presente dentro del reactor. Los autores afirman además que el código utilizado para producir esta estimación está validado experimentalmente. A continuación se muestran las proporciones de ramificación esperadas para la fisión de neutrones térmicos en el reactor:
Los autores tienen entonces la posibilidad de probar diferentes escenarios en la distribución del núcleo del reactor, y observar la producción de $^{133}$ Xe (o $^{133m}$ Xe). Uno de los escenarios que examinaron es que una barra del reactor sufriera un incidente de criticidad rápida y produjera una explosión nuclear con una liberación de energía equivalente a 75 toneladas de TNT. El reactor se destruye en este proceso, y las proporciones de los dos isótopos vuelven al equilibrio:
.
Lo interesante es que la relación detectada experimentalmente en Cherepovets coincide casi exactamente con esta hipótesis, y se afirma que no es posible explicarlo fácilmente de otra manera dado el retraso conocido entre la explosión y la detección, y la determinación inequívoca de los isótopos (mediante espectroscopia de rayos gamma):
Los autores de este trabajo también afirman que otra prueba experimental significativa proviene del curioso hecho de que Cherepovets está muy al norte/noreste de Chernóbil, y sin embargo se observó que la mayor parte de la lluvia radiactiva y de los isótopos dispersos se dirigió hacia el oeste y el noroeste, causando (famosamente) "ovejas radiactivas" en Gales, entre otros problemas en su ruta sobre Escandinavia. Desde finales de los años ochenta hemos mejorado mucho en la previsión meteorológica y, de nuevo, los autores de este trabajo utilizan datos históricos de observación y modelos modernos para simular lo que podría haber ocurrido. Afirman que estas simulaciones muestran, en función de la altura, que una fracción significativa de la gran cantidad de productos de fisión radiactivos liberados a baja altitud se dirigiría hacia el noroeste, en dirección a Escandinavia, pero que, a mayor altitud, daría un brusco giro hacia el este, alrededor de los golfos de Riga y Finlandia. Esto les permitiría explicar la distribución geográfica de $^{133}$ Xe/ $^{133m}$ Xe que coincide con la medición realizada en Cherepovets, al tener un chorro de material nuclear que alcanza unos 3 km de altitud:
Por último, los autores afirman (para mí, mucho menos probadas) que esta hipótesis explica las observaciones oculares de las dos explosiones:
[...] un testigo que estaba pescando en el estanque de enfriamiento a unos 500 metros del bloque 4 cuando ocurrió el accidente. Oyó un gran estruendo seguido de una explosión. Luego, en un par de segundos vio un brillante azul brillante seguido de una enorme explosión. Está bien sabido que los accidentes de criticidad emiten un destello azul, o más bien un resplandor, que deriva de la fluorescencia de átomos excitados de oxígeno y nitrógeno en el aire [y quizás de la radiación Cerenkov].
[...]
[Después de la segunda explosión ] con el combustible totalmente expuesto, el aire fue irradiado, y se encendió el típico resplandor azul. Un empleado de la central, Alexander Yuvchenko, ha descrito cómo él y un compañero "salieron corriendo de la edificio y vieron que la mitad del edificio había desaparecido y el reactor emitía un resplandor azul de aire ionizado". Pero, el destello observado por el pescador fue un destello azul brillante antes de escuchar la segunda explosión [y antes de que los productos del reactor se expusieran directamente al aire].
Los autores argumentan que este azul flash tiene que ser nuclear, a diferencia de un resplandor que puede ser térmica:
Como una explosión [de vapor] no crearía un destello, una explicación podría ser que la superficie del chorro desprendiera algún material caliente al aire y/o que el chorro con una temperatura de varias decenas de miles de grados calentó una columna de aire alrededor de su trayectoria. En pocos segundos ese material caliente se enfriaría en el intervalo de temperaturas 7000°K, donde durante un breve espacio de tiempo antes de enfriarse más, irradiaría luz azul por radiación de cuerpo negro-un destello azul, no un resplandor
Ahí lo tienen. Una (ciertamente pequeña) posibilidad de una (ciertamente pequeña) explosión nuclear en el peor desastre nuclear de la historia de la humanidad. Tal vez.
Para que se produzca una reacción nuclear en cadena exponencial como la de una bomba nuclear, hay que alcanzar la masa crítica para que se produzca la reacción en cadena. Sin embargo, la parte de la "explosión" quiere dispersar la masa, lo que reduce la masa por debajo de la crítica y pone fin a la reacción en cadena.
Por tanto, para que un arma atómica funcione, o bien debe iniciar la reacción en cadena lo suficientemente rápido como para que la masa no pueda dispersarse a tiempo, o bien debe mantener la masa unida el tiempo suficiente como para que se produzca la reacción en cadena, y ninguna de las dos cosas ocurre al azar.
De lo contrario, la reacción autosostenida se calienta mucho y permanece así, que es lo que ocurre en una fusión.
I-Ciencias es una comunidad de estudiantes y amantes de la ciencia en la que puedes resolver tus problemas y dudas.
Puedes consultar las preguntas de otros usuarios, hacer tus propias preguntas o resolver las de los demás.
