Barras de Control en los Reactores de Fisión

Dado que la continua reacción en cadena de un reactor de fisión nuclear, depende de que al menos un neutrón de cada fisión, sea absorbido por otro núcleo fisible, la reacción puede ser controlada, mediante el uso de barras de control de material que absorba los neutrones. El cadmio y el boro son fuertes absorbentes de neutrones, y son los materiales más comunes usados en las barras de control. Una reacción típica de absorción de neutrones en el boro es

En el funcionamiento de un reactor nuclear, los elementos combustibles se colocan en su lugar correspondiente, y luego se elevan las barras de control lentamente, hasta que justamente se sostenga una reacción en cadena. A medida que avanza la reacción, el número de núcleos de uranio-235 disminuye, y la fisión de sub-productos que absorben neutrones crece. Para mantener la reacción en cadena, las barras de control deben ir retirándose. En algún momento, la reacción en cadena no se puede mantener, y debe reponerse el combustible.

Tiempo de Generación en la Fisión

El tiempo medio para que un neutrón emitido en una fisión origine otra fisión, se denomina tiempo de generación. Este tiempo de generación, junto con la constante de reproducción k de la configuración del reactor, determina el tiempo necesario para duplicar la velocidad de reacción. Por ejemplo, si la constante de la reproducción fuera k = 1,001, entonces, para duplicar la velocidad de reacción se requeriría

Ahora, si el tiempo de generación para la fisión es 0,001 segundos, el tiempo para duplicar la tasa sería

¡No es mucho tiempo para responder a una subida de potencia!. Esto se modifica significativamente por la inclusión de los neutrones retardados.

Constante de Reproducción en la Fisión

La constante de reproducción k en un proceso de fisión nuclear, se define como el número medio de neutrones de cada fisión, que posteriormente origina otra fisión. En la fisión del U-235 el número medio de neutrones emitidos es 2,4, por lo que la constante de reproducción máxima sería, de 2,4. Mientras que el uranio-235 altamente enriquecido para aplicaciones de armas, dispuestos en una geometría óptima podría acercarse a ese valor, la constante de reproducción disminuye en gran medida en los reactores nucleares, por el hecho de que el combustible es de sólo 2-3% de U-235. En los reactores de energía, la constante de reproducción se mantiene justo por encima de 1. Una configuración de reactor con una constante de reproducción de 1, se dice que es crítica.

Efecto del Neutrón Retardado

El doble del tiempo normal en una reacción de fisión nuclear, es una medida razonable de tiempo de respuesta, en el que los dispositivos de seguridad del reactor, tendrían que reaccionar ante algún tipo de emergencia. Esta duplicación de tiempo, es determinado por la constante de reproducción de la configuración del reactor, y el tiempo de generación del proceso de fisión. Un margen de seguridad en los tipos de reactores de potencia nucleares utilizados en los EE.UU. y Canadá, viene del hecho de que en su gama de funcionamiento, son solamente críticos con la inclusión de los neutrones retardados. El efecto que esto tiene sobre el tiempo de duplicación, se puede ver en el siguiente ejemplo. Para k = 1,001, toma 693 generaciones para duplicar la tasa, y al tiempo de generación de 0,001 s, el tiempo de duplicación es 0,693 segundos. Si el 0,65% de los neutrones están retardados en un promedio de 14 segundos, el tiempo de duplicación se incrementa en casi un factor de cien, a

que es tiempo suficiente para la respuesta de los controles mecánicos. Por ejemplo, los dispositivos de seguridad de Three Mile Island, habrían cerrado el reactor a 9 segundos del acontecimiento que provocó el accidente.