¿Formas de reducir significativamente la masa crítica para el U235 o hacer que el U238 sea fisionable?

Si logro aumentar 100 veces el neutrón generado por la reacción de fisión, ¿eso reducirá la masa crítica de U235 a 1/100?

De manera similar, si puedo aumentar la energía de los neutrones, ¿hará fisionable al U238?

¿Qué quiere decir con "aumentar el neutrón generado por la fisión"? ¿Te refieres al tamaño de los neutrones? Si es así, adiós universo. ¿O te refieres a aumentar la cantidad de neutrones generados? Si te refieres a lo último, me gustaría señalar que no es así como funciona la fisión...
La masa crítica de un material depende en realidad de muchos atributos diferentes. Uno de ellos es el Factor de Multiplicación de Neutrones . Si aumentaras mágicamente el número de neutrones liberados por una sola reacción de fisión, en teoría, causarías más fisiones que antes. Esto no se traduce en una relación directa entre el aumento de la producción de neutrones y la disminución de la masa crítica, ya que hay muchos otros factores a considerar.
No puede cambiar la cantidad de neutrones (o cualquier otra cosa) generada por una reacción de fisión más de lo que podría hacer que una molécula de agua tenga tres hidrógenos con un solo oxígeno. Lo mismo con la velocidad del neutrón (que es fija y depende de los elementos resultantes). U235 adsorberá neutrones de baja energía y se volverá inestable (es por eso que usamos algún material para ralentizar los neutrones emitidos, para hacerlos más efectivos). AFAIK U238 no adsorberá neutrones de ninguna energía (velocidad).
Aumentar el número de neutrones 100 veces no es realista. Pero si envuelve una pieza de U235 en un reflector ideal (o casi) de neutrones, entonces cualquier masa sería crítica :)
@Vashu Eso podría ser lo que estaba buscando. ¿Sabes cuál es la tasa de reflexión del reflector de neutrones actual? Gracias.
Normalmente se utiliza berilio. Refleja menos del 50% de los neutrones y reduce su energía, pero aun así, un reflector de Be de 5 cm reduce la masa crítica del plutonio de 10 a 5 kg.
@vashu Entonces, todo lo que necesito es algún tipo de barrera que desvíe el 100% de los neutrones, mientras deja salir todos los demás tipos de energía emitida por la fisión.
Con el 100% cualquier cantidad de uranio sería crítica. Pero incluso el 90% sería fantástico. Aunque nadie sabe cómo hacer un reflector tan eficiente. Además, no necesita preocuparse mucho por dejar salir otros tipos de energía. Cuando tienes algunos kilotones de energía concentrados en menos de un litro de volumen, es casi imposible retenerlo :)
En los libros de L. Niven hay un campo de estasis que es impenetrable y refleja cualquier cosa, incluidos los neutrones. Por lo tanto, se usa para fabricar motores de cohetes nucleares: coloque un poco de uranio en una botella con un orificio muy pequeño, coloque un campo de estasis en la botella, el uranio reacciona, se calienta y comienza a filtrarse a través del orificio, creando una fuerza reactiva.

Respuestas (3)

Supongamos que podría aumentar la cantidad de neutrones libres que resultan de la fisión por un factor de 100. Entonces, en lugar de obtener 2-3 neutrones libres, obtiene 2-3 cientos (bueno, en realidad 146 como máximo para Pu-239).

Esto significa que en lugar de 2 átomos de tamaño mediano como resultado de la fisión, obtienes muchos átomos muy livianos como resultado de la fisión. Lo que ha logrado es que ha cambiado el evento de fisión nuclear en uno que requiere energía, en lugar de uno que libera energía.

No tendrías masa crítica sin importar cuánto material tuvieras.

Entonces, cambie la física nuevamente y haga que muchos neutrones se emitan en un evento de energía neta, el uranio sería tan inestable que desaparecería hace mucho tiempo, y muchos elementos estables o clásicamente estables también serían muy inestables. Probablemente algo más allá del helio o tal vez del carbono sería muy raro, malas noticias por todas partes.

Los cambios físicos a los que me refiero anteriormente involucran cosas como cambiar la proporción de las fuerzas de la fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética.

Re: aumentar la densidad de su material nuclear, felicidades, acaba de reinventar la forma en que funcionan las bombas atómicas modernas. Es posible que haya oído hablar de las armas nucleares de tipo pistola y de implosión. Las bombas de plutonio son todos dispositivos de implosión, tiene una masa subcrítica de plutonio, luego usa una implosión cuidadosamente diseñada (y clasificada) para convertir la bomba en una masa crítica cuando ocurre la implosión. En las bombas reales, la implosión hace que el plutonio sea un 250 % más denso de lo normal. Los átomos están más juntos y se produce una supercriticidad rápida (seguida de una explosión considerablemente más impresionante).

Comprimir metales es difícil, el metal resiste con mucha fuerza tal compresión, pero el cuidadoso diseño de la bomba es lo suficientemente bueno para hacer el trabajo.

Al combinar reflectores de neutrones, manipulaciones, implosiones, etc., las bombas de plutonio modernas necesitan solo alrededor del 25% de la masa de plutonio requerida para una masa esférica de plutonio. Si hubiera un método basado en la realidad que pudiera cambiar significativamente el requisito, se utilizaría. Pu-239 es realmente caro.

De los materiales comunes para bombas nucleares, Pu-239 tiene la masa crítica de esfera desnuda más pequeña (alrededor de 10 libras), el uranio de grado armamentístico (80% enriquecido) es de aproximadamente 60 libras IIRC. Ningún fabricante de bombas serio usa U-235, es demasiado difícil de fabricar (también conocido como costoso). Al final del proyecto Manhattan, solo había suficiente uranio apto para armas para una sola bomba.

Ahora, Californium-252 tiene la masa crítica más ligera de todo lo que he visto en la lista, alrededor de 2,5 libras para una esfera desnuda, y presumiblemente < 1 libra utilizando los refinamientos conocidos. El problema es que solo hemos fabricado unos 8 gramos (a unos 27 millones de dólares por gramo).

Si desea ignorar la física del mundo real, podría fingir una masa crítica más pequeña, pero sería fingido. 2.5 libras de Pu-239 está bastante cerca del límite del mundo real en bombas prácticas, y ninguna cantidad de deseos cambia eso.

Pretender un dispositivo de implosión súper explosivo es solo otra forma de agitar la mano. Hay un límite bastante definido en la energía disponible de los compuestos explosivos. No podrá comprimir plutonio por un factor de 5 en ningún diseño de bomba implosiva sensato (y, por lo tanto, práctico). Si pudiera, tenga la seguridad de que los muchachos que realmente diseñan estos de verdad lo habrían hecho, eran inteligentes y estaban motivados.

Estoy buscando una forma hipotética de reducir significativamente la masa crítica. Si aumentar la energía o la cantidad de neutrones no funciona, ¿qué pasa con una reducción repentina del volumen? Si podemos empaquetar U235 100 veces más denso, debería facilitar que los neutrones libres golpeen el átomo, ¿verdad?
@AZ Sí, pero hay límites en la densidad que puede lograr. Solo duplicar la densidad requiere presiones de varios gigapascales, del orden de las del núcleo de la Tierra. Y necesita que la presión se establezca en milisegundos, antes de que la fisión destruya la contención.
El uranio 235 tiene unos 145 neutrones (no recuerdo su número Z, ¿quizás 90?), así que como máximo puedes obtener esos, más 90 iones de hidrógeno. Y como usted señaló, el proceso es catastróficamente endotérmico.
@LSerni, buena captura: ni siquiera me molesté en señalar que 143-146 neutrones es todo lo que hay en el núcleo para U-235, U-238, Pu-239. La física es tan ridícula que a veces olvidas lo obvio.

Sí, más neutrones por evento de fisión reducirían la masa crítica, pero realmente no se puede hacer eso ya que la cantidad de neutrones liberados por fisión es una propiedad física de los átomos involucrados y no cambia estadísticamente.

No, los neutrones de mayor energía no harán que algo sea fisionable. Para ser fisionable , tiene que absorber fácilmente los neutrones (busque la sección transversal de neutrones), específicamente, están preocupados por los neutrones "térmicos" de menor energía que tienen más probabilidades de interactuar con los átomos, los neutrones de mayor energía tendrían menos probabilidades de resultar en fisión.

Consulté en.wikipedia.org/wiki/Thermonuclear_weapon El combustible de fusión de la etapa secundaria puede estar rodeado de uranio o de uranio enriquecido, o de plutonio. Los neutrones rápidos generados por la fusión pueden inducir la fisión incluso en materiales que normalmente no son propensos a ella, como el uranio empobrecido cuyo U-238 no es fisionable y no puede sostener una reacción en cadena, pero que es fisionable cuando es bombardeado por los neutrones de alta energía liberados por la fusión. en la etapa secundaria.
Entonces, la pregunta es dónde obtener esos neutrones rápidos.
Digamos que las condiciones en los microsegundos de una explosión de fusión activa no son las típicas de las reacciones de fisión, la cantidad de neutrones en un área pequeña hace que sucedan cosas interesantes. Al igual que con todas las reacciones nucleares, todo es estadístico, por lo que pueden ocurrir eventos de baja probabilidad con muchos neutrones en un espacio muy pequeño.

La cantidad de neutrones por evento de fisión es fija, de manera realista no puede obtener más. Puede reducir la masa crítica comprimiendo el uranio, pero esto también tiene límites. Lo que necesita es algún material como el uobtainio o un campo de energía que sean reflectores de neutrones perfectos. Perforas agujeros cilíndricos en el reflector de neutrones, alrededor de un agujero más grande. Luego golpeas una masa sub-sub-crítica de U235 en los agujeros. La criticidad se inicia en la periferia y detona el volumen central. Las tolerancias de construcción serán muy estrictas: cualquier asimetría resultará en una falla.

¿Formas de reducir significativamente la masa crítica para el U235 o hacer que el U238 sea fisionable?
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