En enginyeria nuclear, la criticalitat ràpida és la criticalitat (l'estat en què una reacció nuclear en cadena és autosostenible) que s'aconsegueix només amb neutrons ràpids (sense els esforços dels neutrons retardats). Com a resultat, la supercriticitat ràpida provoca un creixement molt més ràpid en la taxa d'alliberament d'energia que altres formes de criticalitat. Les armes nuclears es basen en la criticalitat ràpida, mentre que els reactors nuclears depenen de neutrons retardats o neutrons externs per aconseguir la criticalitat. miniatura|Neutró ràpid

Criticalitat Un acoblament és crític si cada esdeveniment de fissió causa, de mitjana, exactament un esdeveniment addicional d'aquest tipus en una cadena contínua. Aquesta cadena és una reacció en cadena de fissió autosostenible. Quan un àtom d'urani -235 (U-235) experimenta una fissió nuclear, normalment allibera entre un i set neutrons (amb una mitjana de 2,4). En aquesta situació, un acoblament és crític si cada neutró alliberat té una 1/2,4 = 0,42 = 42 % de probabilitat de causar un altre esdeveniment de fissió en comptes de ser absorbit per un esdeveniment de captura que no sigui de fissió o escapar del nucli fissible.

El nombre mitjà de neutrons que causen nous esdeveniments de fissió s'anomena factor de multiplicació de neutrons efectius, que normalment es denota amb els símbols k-efectiu, k-eff o k . Quan k-efectiu és igual a 1, el muntatge s'anomena crític, si k-efectiu és inferior a 1, el muntatge s'anomena subcrític i si k-efectiu és superior a 1, el muntatge s'anomena supercrític.

Crític versus crític immediat En un muntatge supercrític, el nombre de fissions per unitat de temps, N, juntament amb la producció d'energia, augmenta exponencialment amb el temps. La rapidesa amb què creix depèn del temps mitjà que triguen, T, els neutrons alliberats en un esdeveniment de fissió a causar una altra fissió. La taxa de creixement de la reacció ve donada per:

La majoria dels neutrons alliberats per un esdeveniment de fissió són els que s'alliberen en la mateixa fissió. Aquests s'anomenen neutrons ràpids i xoquen contra altres nuclis i causen fissions addicionals en nanosegons (un interval de temps mitjà utilitzat pels científics del Projecte Manhattan era d'una sacsejada, o 10 ns). Una petita font addicional de neutrons són els productes de fissió. Alguns dels nuclis resultants de la fissió són isòtops radioactius amb vides mitjanes curtes, i les reaccions nuclears entre ells alliberen neutrons addicionals després d'un llarg retard de fins a diversos minuts després de l'esdeveniment de fissió inicial. Aquests neutrons, que de mitjana representen menys de l'u per cent del total de neutrons alliberats per la fissió, s'anomenen neutrons retardats. L'escala de temps relativament lenta en què apareixen els neutrons retardats és un aspecte important per al disseny dels reactors nuclears, ja que permet controlar el nivell de potència del reactor mitjançant el moviment gradual i mecànic de les barres de control. Normalment, les barres de control contenen verins de neutrons (substàncies, per exemple, bor o hafni, que capturen fàcilment neutrons sense produir-ne d'addicionals) com a mitjà per alterar la k-efectiva. Amb l'excepció dels reactors pulsats experimentals, els reactors nuclears estan dissenyats per funcionar en un mode crític retardat i estan proveïts de sistemes de seguretat per evitar que aconsegueixin mai una criticalitat ràpida. miniatura|Diagrama que explica els tipus de criticitat. és el factor de multiplicació de neutrons efectiu. En un muntatge crític retardat, els neutrons retardats són necessaris per fer que la k-efectiva sigui superior a un. Així, el temps entre generacions successives de la reacció, T, està dominat pel temps que triga a alliberar-se els neutrons retardats, de l'ordre de segons o minuts. Per tant, la reacció augmentarà lentament, amb una constant de temps llarga. Això és prou lent per permetre controlar la reacció amb sistemes de control electromecànics com ara barres de control i, en conseqüència, tots els reactors nuclears estan dissenyats per operar en el règim de criticalitat retardada.

En canvi, un muntatge crític es diu que és crític en el moment oportú si és crític (k = 1) sense cap contribució de neutrons retardats i supercrític ràpid si és supercrític (la taxa de fissió creix exponencialment, k > 1) sense cap contribució de neutrons retardats. En aquest cas, el temps entre generacions successives de la reacció, T, només està limitat per la velocitat de fissió dels neutrons immediats, i l'augment de la reacció serà extremadament ràpid, provocant una ràpida alliberació d'energia en pocs mil·lisegons. Els conjunts crítics immediats es creen per disseny en armes nuclears i alguns experiments de recerca especialment dissenyats.

La diferència entre un neutró ràpid i un neutró retardat té a veure amb la font des de la qual s'ha alliberat el neutró al reactor. Els neutrons, un cop alliberats, no tenen cap diferència excepte l'energia o la velocitat que se'ls ha impartit. Una arma nuclear depèn en gran manera de la supercriticitat ràpida (per produir una potència màxima elevada en una fracció de segon), mentre que els reactors nuclears utilitzen la supercriticitat retardada per produir nivells de potència controlables durant mesos o anys.

Reactors nuclears Per tal d'iniciar una reacció de fissió controlable, el muntatge ha de ser crític retardat. En altres paraules, k ha de ser superior a 1 (supercrític) sense creuar el llindar crític immediat. En els reactors nuclears això és possible gràcies als neutrons retardats. Com que triga un temps abans que aquests neutrons s'emetin després d'un esdeveniment de fissió, és possible controlar la reacció nuclear mitjançant barres de control.

Un reactor en estat estacionari (potència constant) funciona de manera que és crític a causa dels neutrons retardats, però no ho seria sense la seva contribució. Durant un augment gradual i deliberat del nivell de potència del reactor, el reactor és supercrític retardat. L'augment exponencial de l'activitat del reactor és prou lent per fer possible controlar el factor de criticalitat, k, inserint o retirant barres de material absorbent de neutrons. Mitjançant moviments acurats de les barres de control, és possible aconseguir un nucli de reactor supercrític sense arribar a un estat crític immediat insegur.

Un cop una planta de reactor funciona al seu nivell de potència objectiu o de disseny, es pot fer funcionar per mantenir el seu estat crític durant llargs períodes de temps

Accidents crítics immediats Els reactors nuclears poden ser susceptibles a accidents de criticalitat immediata si es produeix un gran augment de la reactivitat (o k-efectiva ), per exemple, després d'una fallada dels seus sistemes de control i seguretat. L'augment ràpid i incontrolable de la potència del reactor en condicions de criticalitat immediata probablement danyarà irreparablement el reactor i, en casos extrems, pot trencar la contenció del reactor. Els sistemes de seguretat dels reactors nuclears estan dissenyats per evitar la criticalitat immediata i, per a la defensa en profunditat, les estructures del reactor també proporcionen múltiples capes de contenció com a precaució contra qualsevol alliberament accidental de productes de fissió radioactius.

Amb l'excepció dels reactors de recerca i experimentals, es creu que només un petit nombre d'accidents de reactors han assolit la criticitat immediata, per exemple, Txornòbil #4, l'SL-1 de l'exèrcit dels Estats Units i el submarí soviètic K-431. En tots aquests exemples, l'augment incontrolat de potència va ser suficient per causar una explosió que va destruir el reactor i va alliberar productes de fissió radioactius a l'atmosfera.

Referències

Categoria:Física nuclear