Mejor respuesta
Comencemos con algunas palabras: la criticidad se refiere a la capacidad de una cantidad de material fisionable para apoyar la reacción nuclear en cadena, en la que un neutrón fisiona un átomo de uranio, liberando al menos dos o más neutrones para seguir fisionando otros átomos en el material. Esto debe tener en cuenta las pérdidas de neutrones en el entorno exterior, la captura de neutrones por otros átomos, la captura en lugar de la fisión en los materiales, etc. Cuando eso sucede, la actividad nuclear en la masa aumenta exponencialmente. Sin embargo, existen exponenciales lentas (como la aceleración del universo en expansión) y rápidas.
supercríticas: el régimen de actividad de fisión que es al menos crítico, es decir, hace que la actividad aumente exponencialmente. Este es el régimen en el que funcionan los reactores nucleares.
Rápido crítico: hay dos formas en que se producen los neutrones en un evento de fisión. Hay neutrones rápidos que son liberados por la fisión y están disponibles para causar fisiones dentro de unos 10 nanosegundos de la liberación; estos son los que ves en las nítidas animaciones del proceso de fisión. El segundo tipo se crea después de un retraso (que involucra materiales intermedios, en los que no necesito entrar) que puede ser desde un microsegundo hasta decenas de minutos. Si su reactor se encuentra en el filo de la navaja de la criticidad, entonces empujarlo un poco hacia arriba causará el aumento exponencial mencionado anteriormente en los eventos de fisión: la suma de los neutrones rápidos más los neutrones retardados está justo por encima de lo que se necesita para mantener el proceso de morir, y la curva se eleva lentamente, lo suficientemente lento como para que un humano pueda controlarlo. A medida que la actividad se vuelve más rápida, se crean más neutrones rápidos, lo que hace que los neutrones retardados sean menos necesarios para soportar la criticidad, y la curva exponencial aumenta más rápido. La criticidad inmediata tiene lugar en el punto en el que no se requieren neutrones retardados en absoluto; el aumento de la curva exponencial es del orden de decenas de nanosegundos, más rápido de lo que el hombre o la computadora pueden reaccionar.
No hace falta decir que las bombas de fisión entran y superan el punto de crítica inmediata. Están diseñados para que el material se vuelva tan crítico que se produzca una generación de neutrones cada 10 nanosegundos, y pueden ocurrir 80 o más generaciones de este tipo antes de que la explosión rompa el material, esparciéndolo al infierno y desapareciendo. 800 nanosegundos en total, menos de un microsegundo.
Los físicos tienen una medida de la criticidad de un evento. Critical se llama 1 dólar; la criticidad inmediata ocurre a 2 dólares. La criticidad dentro de una bomba de fisión oscila entre $ 2 y $ 3 durante el intervalo de 1 microsegundo en el que ocurre la fisión. Después de eso, el resto es solo la naturaleza reafirmando un estado de equilibrio de la mejor manera que ella sabe.
Los reactores nucleares, por otro lado, operan entre $ 1 y $ 2, y mantienen un buen margen por debajo de los $ 2. De hecho, cuando están en funcionamiento y manejando una carga de energía en estado estable (operaciones normales), funcionan dentro de un rango de $ 0.95 y $ 1.05 a medida que sus cargas suben y bajan.
Debido a que un reactor de energía civil usa sólo un combustible ligeramente enriquecido no tiene la capacidad de explotar como una bomba. Lo que puede hacer, si se vuelve crítico rápidamente, es fundir el núcleo del reactor (en reactores de combustible sólido, como Chernobyl # 4). El U-238 actúa como relleno y mantiene los átomos fisionables del U-235 lo suficientemente separados para evitar la supercriticidad por encima de un umbral bajo.
Por tanto, la criticidad inmediata es el límite que una bomba de fisión debe alcanzar y superar. para operar en su capacidad diseñada. La criticidad inmediata es una señal en el camino hacia la explosión.
Nota: Descubrí que mis números para las cifras en dólares anteriores estaban equivocados. Consulte la discusión a continuación para obtener definiciones. También he corregido los números anteriores, así que ahora todos están de acuerdo.
Respuesta
Hay dos tipos de neutrones emitidos debido a la fisión.
Neutrones rápidos y retardados.
Los neutrones rápidos son los producidos por la fisión misma y pueden moverse para golpear otros átomos provocando que se produzca más fisión.
Los neutrones retardados se liberan como productos de fisión se desintegran, liberando más neutrones.
La CRITICALIDAD es cuando el número de neutrones liberados es exactamente el número necesario para sostener una reacción en la que, en promedio, cada neutrón liberado provocará un evento de fisión adicional. Esto es exactamente en K = 1
Si K es menor que 1, entonces el número de neutrones liberados no es autosostenible y no todos los neutrones causarán en promedio un evento de fisión adicional. Algunos lo harán, pero no todos y la reacción se extingue.
Es solo el retraso en la liberación de los neutrones retardados de la desintegración, en lugar de los neutrones rápidos, lo que permite cierto grado de control sobre th e proceso de reacción. esto es necesario para controlar un reactor nuclear.
Es cuando K = 1 de la suma de ambos tipos, tanto el aviso como el retardado … es que una reacción es estable y controlable.
Cuando una reacción se vuelve crítica desde solo los neutrones rápidos solos independientemente de los neutrones retardados … eso es Crítico Rápido y la reacción en cadena crece exponencialmente con el tiempo mucho más rápido de lo que pueden reaccionar los humanos o incluso los equipos controlados por computadora. Es incontrolable y conduce al desastre.
Esto todavía no es suficiente para crear una explosión nuclear. Será un desastre nuclear (Piense: Chernobyl), pero no una detonación nuclear.
A medida que la masa de reacción se vuelve rápidamente crítica, la liberación de energía es mucho más rápida incluso que la fisión duplicando la reacción en cadena. la masa de reacción explota antes de que la masa de reacción pueda ser consumida por completo por la reacción en cadena de fisión.
Para que un arma nuclear detone, tienes que ser supercrítico, donde la masa de reacción se lleva a crítica y se mantiene allí. el tiempo suficiente para que toda la masa se someta a fisión sin explotar primero. Este es el verdadero truco del diseño de armas nucleares. Cómo hacer que una masa se vuelva supercrítica sin que la predetonación sea un fracaso.
También es la razón por la que las plantas de energía nuclear no pueden explotar como un arma nuclear. Los reactores nucleares NO PUEDEN explotar como una bomba nuclear porque no están diseñados para hacerlo. Las bombas nucleares no quieren detonar, solo quieren explotar. tienen que estar especialmente diseñados y obligados a hacerlo, de lo contrario, todo será un fracaso.