Fisión

FisinVctor Rojas Moreno

Curso Superior de Generacin de Energa Elctrica

IntroduccinPor qu con neutrones?Facilidad de acceso al ncleoMultiplicacin neutrnica reaccin en cadena autosostenidaTipos de fisin:Binaria:SimtricaAsimtrica ms probable (curva de distribucin de fragmentos)Ternaria 109 veces menos probable que la binaria


Proceso de fisin (I)Ejemplo U-23510-17 seg. los fragmentos emiten neutrones sobrantes (media de 2,5 y 2 MeV) para acercarse a la curva de estabilidad, incluso antes de separarse10-14 seg. los fragmentos empiezan a separarse rpidamente; como la energa de excitacin es inferior a la necesaria para emitir un neutrn, se desexcitan a travs de radiacin g


Proceso de fisin (II)>10-14 seg. en un intervalo de segundos, debido a que todava tienen alta relacin N/Z, se desintegran para acercarse a la lnea de estabilidad emitiendo b, g e incluso ms neutrones (neutrones retardados o diferidos permiten en ltima instancia el control de los reactores; 1/100 fisiones)


Energa involucrada en el proceso de fisin (I)Energa del proceso de fisin:Unos 200 MeV/fisin:94% se transforma en energa trmica80% en energa cintica de los fragmentos6% se pierde con neutrinos emitidos en desintegraciones b porque prcticamente no interaccionan con la materiaSin embargo, sta misma cantidad de energa es aprox. la que se desprende por g de las capturas rpidas (U-238, materiales estructurales, etc.) reacciones (n,g)


Energa involucrada en el proceso de fisin (II)Energa instantnea (90% aprox.):Productos de fisin 80%Neutrones de fisin 2,5%Rayos g instantneos 3,5%Rayos g de las reacciones (n,g) 3,5%Energa retardada (7,5% aprox.):Partculas b de los productos de fisin 3,5%Rayos g de los productos de fisin 3%Radiaciones b y g de los productos de las reacciones (n,g) 1%Energa perdida 2,5% aprox.


Energa involucrada en el proceso de fisin (III)Energa en el combustibleProductos de fisinPartculas bEnerga en alguna parte del reactor (refrigerante/moderador y mat. estructurales)NeutronesRayos gMecanismos:Conduccin combustible y vainaConveccin vaina-refrigerante


Energa involucrada en el proceso de fisin (IV)Conclusiones:Energa instantnea es la nica disponible en el arranque del reactorEn condicin de operacin estable disponemos de la instantnea y la retardadaCuando paramos el reactor la energa retardada sigue siendo liberada durante algn tiempo CALOR RESIDUAL o de decaimiento


Energa involucrada en el proceso de fisin (V)


Energa involucrada en el proceso de fisin (VI)Viniendo de condiciones estables al 100% de potencia:1 min. 4,5% potencia nominal24 h 0,7% potencia nominal


Modelo de gota lquida (I) R radio medio R=1,2A1/3 [fm] e deformacinModelo de gota lquidaNcleo incompresible y con densidad aprox. constanteNcleo no esfrico (elipsoide) ms acentuado a mayor masaR(1+e)R(1+e)-1/2


Modelo de gota lquida (II)M(A,Z)=Zmp+(A-Z)mn+ defecto de masaDefecto de masa energa de ligadura:Energa de enlace por fuerzas nuclearesCorreccin por nucleones en la superficieEnerga de repulsin coulombianaNcleos con N cercano a Z ms establesTrmino de paridadImportancia del trmino de paridad modelo nuclear de capas


Fisin espontnea (I)Fisin espontneaComo una fisin inducida pero sin necesidad de excitar al ncleo sin necesidad de ncleo compuestoSlo con A muy elevadoPueden emplearse como iniciadores en reactoresCundo se produceEn la realidad, se observa con A>240 an siendo energticamente posible, el ncleo es estable frente a deformaciones previas a la fisin existe una barrera de potencial o energa de activacin


Fisin espontnea (II)


Fisin espontnea (III)Recordar que estamos en un mbito mecano-cuntico, por lo que nada es seguro al 100% hablamos siempre de mayor o menor probabilidadCuando la energa de excitacin del ncleo es menor que la de la barrera, el ncleo puede desintegrarse por efecto tnel (mismo mecanismo que en la desintegracin a, p.e.)Mayor probabilidad:Cuanto ms estrecha sea la barrera tasa de fisin: ke-dCuanto menor sea la barrera de potencial


Fisin espontnea (IV)La barrera de fisin tiene picos debidos a los efectos de capas en el ncleo islas de estabilidad (Z=82 y Z=184)A partir de A=280 la barrera de potencial desaparece fisin espontneaLa vida media por fisin espontnea disminuye conforme aumenta Z2/A


Seccin eficaz de fisin (I)Seccin eficaz de fisin:Influencia del trmino de paridad en la energa de excitacin mayor probabilidad de saltar la barrera mayor probabilidad de fisinModelo de capas del ncleoEjemplos: U-235 y U-238Ley de variacin 1/v para bajas velocidades rango trmicoIntroducir figura y tabla de secciones eficaces de fisin


Seccin eficaz de fisin (II)


Seccin eficaz de fisin (III)


Seccin eficaz de fisin (IV)


Distribucin de los fragmentos (I)


Distribucin de los fragmentos (II)La distribucin de los fragmentos depende de la energa de los neutrones incidentes a mayor energa ms simtrica respecto de A/2 (menos plana)La probabilidad de fisin simtrica es prcticamente nulaLo normal A2/A1=1,5 para neutrones trmicosFuerte simetra respecto a A/2 antes de la emisin de los neutrones inmediatos la emisin de stos provoca picos irregulares; emisin en direcciones opuestas con casi igual cantidad de movimiento reparto de velocidad inversamente proporcional a la masa distribucin de neutrones


Distribucin de neutrones (I)Funcin de densidad de probabilidad del nmero de neutrones GaussEl valor medio de neutrones emitidos cambia con el istopo (p.e. U-235 nmedio=2,5)Distribucin de neutrones con su energa Maxwell-Boltzmann valor medio de la energa aprox. 2 MeV (para los neutrones rpidos nacidos de fisin)


Distribucin de neutrones (II)


Origen de los elementosMateriales por encima de los actnidos (el fisionable, por ejemplo) reacciones de captura neutrnica a altos flujos (explosiones de supernovas)Material fusionable primeros instantes de la vida del Universo (Big Bang)Resto procesos lentos en estrellas menos masivas


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