la clave para mantener una reacción nuclear en cadena dentro de un reactor nuclear es utilizar, en promedio, exactamente uno de los neutrones liberados de cada evento de fisión nuclear para estimular otro evento de fisión nuclear (en otro núcleo fisionable). Con un cuidadoso diseño de la geometría del reactor y un cuidadoso control de las sustancias presentes para influir en la reactividad, se puede lograr y mantener una reacción en cadena autosostenible o «criticidad».,
el uranio Natural consiste en una mezcla de varios isótopos, principalmente 238U y una cantidad mucho menor (Aproximadamente 0.72% en peso) de 235U. 238U solo puede ser fisionado por neutrones que son relativamente energéticos, aproximadamente 1 MeV o más. Ninguna cantidad de 238U puede ser «crítica» ya que tenderá a absorber parasitariamente más neutrones de los que libera por el proceso de fisión. El 235U, por otro lado, puede soportar una reacción en cadena auto-sostenida, pero debido a la baja abundancia natural del 235U, el uranio natural no puede alcanzar la criticidad por sí mismo.,
el truco para lograr la criticidad utilizando solo uranio natural o poco enriquecido, para el que no hay masa crítica «desnuda», es ralentizar los neutrones emitidos (sin absorberlos) hasta el punto en que una cantidad suficiente de ellos pueda causar más fisión nuclear en la pequeña cantidad de 235U disponible. (El 238U, que es la mayor parte del uranio natural, también es fisionable con neutrones rápidos. Esto requiere el uso de un moderador de neutrones, que absorbe prácticamente toda la energía cinética de los neutrones, ralentizándolos hasta el punto de que alcanzan el equilibrio térmico con el material circundante., Se ha encontrado beneficioso para la economía de neutrones separar físicamente el proceso de Moderación de energía de neutrones del propio combustible de uranio, ya que el 238U tiene una alta probabilidad de absorber neutrones con niveles intermedios de energía cinética, una reacción conocida como absorción de «resonancia». Esta es una razón fundamental para diseñar reactores con segmentos de combustible sólido separados, rodeados por el moderador, en lugar de cualquier geometría que daría una mezcla homogénea de combustible y moderador.,
el agua es un excelente moderador; los átomos ordinarios de hidrógeno o protio en las moléculas de agua están muy cerca en masa de un solo neutrón, por lo que sus colisiones resultan en una transferencia de momento muy eficiente, similar conceptualmente a la colisión de dos bolas de billar. Sin embargo, además de ser un buen moderador, el agua ordinaria también es bastante eficaz para absorber neutrones., Y así, el uso de agua ordinaria como moderador absorberá fácilmente tantos neutrones que quedan muy pocos para sostener una reacción en cadena con los pequeños núcleos aislados de 235U en el combustible, lo que excluye la criticidad en el uranio natural. Debido a esto, un reactor de agua ligera requerirá que el isótopo 235U se concentre en su combustible de uranio, como uranio enriquecido, generalmente entre el 3% y el 5% de 235U en peso (el subproducto de este proceso de enriquecimiento se conoce como uranio empobrecido, y por lo tanto consiste principalmente en 238U, químicamente puro)., El grado de enriquecimiento necesario para alcanzar la criticidad con un moderador de agua ligera depende de la geometría exacta y otros parámetros de diseño del reactor.
una complicación de este enfoque es la necesidad de instalaciones de enriquecimiento de uranio, que por lo general son costosas de construir y operar. También presentan una preocupación de proliferación nuclear; los mismos sistemas utilizados para enriquecer el 235U también se pueden usar para producir material de Grado Militar mucho más «puro» (90% o más de 235U), adecuado para producir un arma nuclear., No se trata de un ejercicio trivial por ningún medio, pero lo suficientemente factible como para que las instalaciones de enriquecimiento presenten un riesgo significativo de proliferación nuclear.
una solución alternativa al problema es utilizar un moderador que no absorba neutrones tan fácilmente como el agua. En este caso, potencialmente todos los neutrones que se liberan pueden ser moderados y utilizados en reacciones con el 235U, en cuyo caso hay suficiente 235U en el uranio natural para mantener la criticidad. Uno de estos moderadores es el agua pesada, o óxido de deuterio., Aunque reacciona dinámicamente con los neutrones de una manera similar al agua ligera (aunque con menos transferencia de energía en promedio, dado que el hidrógeno pesado, o deuterio, es aproximadamente el doble de la masa de hidrógeno), ya tiene el neutrón adicional que el agua ligera normalmente tendería a absorber.
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