¿Qué es el ciclo de vida de los neutrones? – Definición

El ciclo de vida de neutrones cuantifica los procesos físicos de neutrones más importantes que ocurren en el  reactor nuclear . En el reactor, los neutrones se producen como neutrones rápidos y la mayoría de ellos se absorben después de la termalización. Hay seis procesos (factores)  que describen la capacidad de multiplicación inherente del sistema. Cuatro de ellos son completamente independientes del tamaño y la forma del reactor y estos son:

• La fisión rápida . El proceso de fisión rápida está en el factor de multiplicación caracterizado por el factor de fisión rápida , ε , que aumenta la población de neutrones rápidos en una generación de neutrones. El factor de fisión rápida se define como la relación entre los neutrones rápidos producidos por las fisión a todas las energías y el número de neutrones rápidos producidos en la fisión térmica.
• Escape de resonancia . La probabilidad de escape de resonancia , simbolizada por p, es la probabilidad de que un neutrón se desacelere a energía térmica y escape de la captura de resonancia . Esta probabilidad se define como la relación entre el número de neutrones que alcanzan las energías térmicas y el número de neutrones rápidos que comienzan a disminuir.
• Utilización térmica . El factor de utilización térmica , f , es la fracción de los neutrones térmicos que se absorben en el combustible nuclear , en todos los isótopos del combustible nuclear. Describe cuán efectivamente (qué tan bien se utilizan) son los neutrones térmicos absorbidos en el combustible. El valor del factor de utilización térmica viene dado por la relación entre el número de neutrones térmicos absorbidos en el combustible (todos los nucleidos) y el número de neutrones térmicos absorbidos en todo el material que forma el núcleo .
• Reproducción . El número de neutrones creados en la nueva generación está determinado por el factor de reproducción de neutrones . El factor de reproducción, η , se define como la relación entre el número de neutrones rápidos producidos por la fisión térmica y el número de neutrones térmicos absorbidos en el combustible.

Estos procesos del ciclo de vida de los neutrones, cuantificados por sus factores, constituyen el factor de multiplicación infinito (k _∞ ), que puede expresarse matemáticamente en términos de estos factores siguiendo la ecuación, generalmente conocida como la fórmula de cuatro factores :

k _∞  = η.ε.pf

El factor de multiplicación efectivo ( k _eff ) puede expresarse matemáticamente en términos del factor de multiplicación infinito (k _∞ ) y dos factores adicionales que explican la fuga de neutrones durante la termización de neutrones ( probabilidad rápida de no fuga ) y la fuga de neutrones durante la difusión de neutrones ( térmica probabilidad de no fuga ) siguiendo la ecuación, generalmente conocida como la fórmula de seis factores :

k _eff = k _∞ . P _f . P _t

• Probabilidad rápida sin fugas . Durante el proceso de desaceleración, algunos de los neutrones se escapan de los límites del núcleo del reactor antes de que se calienten . Este proceso y su impacto en el factor multiplicador efectivo se caracteriza por el factor rápido sin fugas , P _f , que se define como la relación del número de neutrones rápidos que no se escapan del núcleo del reactor durante el proceso de desaceleración al Número de neutrones rápidos producidos por fisión en todas las energías.
• Probabilidad térmica sin fugas . Durante la difusión de neutrones , algunos de los neutrones se escapan de los límites del núcleo del reactor antes de ser absorbidos. Este proceso y su impacto en el factor de multiplicación efectivo se caracteriza por el factor térmico sin fugas , P _t , que se define como la relación entre el número de neutrones térmicos que no se escapan del núcleo del reactor durante el proceso de difusión de neutrones al Número de neutrones que alcanzan las energías térmicas.

En física del reactor , k _eff  es el parámetro más significativo con respecto al control del reactor. En cualquier nivel o condición de potencia específica del reactor, k _eff  se mantiene tan cerca del valor de 1.0 como sea posible. En este punto de operación, el equilibrio de neutrones se mantiene exactamente en un neutrón completando el ciclo de vida de cada neutrón original absorbido en el combustible.

Ciclo de vida de neutrones en reactores rápidos

El método de cálculo de los factores de multiplicación se ha desarrollado en los primeros años de la energía nuclear y solo es aplicable a los reactores térmicos , donde la mayor parte de las reacciones de fisión se producen a energías térmicas. Este método pone bien en contexto todos los procesos, que están asociados con los reactores térmicos (por ejemplo, la termalización de neutrones, la difusión de neutrones o la fisión rápida), porque los procesos físicos de neutrones más importantes ocurren en regiones de energía que pueden estar claramente separadas el uno del otro . En resumen, el cálculo del factor de multiplicación da una buena idea de los procesos que ocurren en cada sistema de multiplicación térmica.

Para los reactores rápidos , en los que la fisión es causada por neutrones con una distribución de energía muy amplia, dicho análisis es inapropiado. El flujo de neutrones en los reactores rápidos debe dividirse en muchos grupos de energía . Además, en reactores rápidos, la termalización de neutrones es un proceso indeseable y, por lo tanto, la fórmula de cuatro factores realmente no tiene ningún sentido. La probabilidad de escape de resonancia no es significativa porque existen muy pocos neutrones en energías donde la absorción de resonancia es significativa. La probabilidad de no fuga térmica no existe porque el reactor está diseñado para evitar la termalización de neutrones.