¿Por qué U235 sobre U238?

Ninguna de las respuestas aborda qué significa realmente fisionable, por qué usar materiales fisionables y por qué no usar materiales no fisionables.

• La fisión de cualquier isótopo fisionable libera inherentemente un número probabilístico de neutrones, cuyo promedio oscila entre 2 y 4 por fisión (tabla inferior (barra v)) , y este número no es un criterio importante para elegir un isótopo.
• Contrariamente a algunos comentarios aquí, el U-238 puede fisionarse y la estabilidad nuclear no está únicamente relacionada con un alto conteo de neutrones.

La parte clave de la definición de fisionable es que un material fisionable puede sostener la fisión con neutrones de cualquier energía . Esto significa que cualquier neutrón en la población local de neutrones puede causar fisión, aunque, en el caso de la mayoría de los isótopos (incluido el U-235), es más probable que los neutrones de energía "térmica" más baja causen fisión. Este punto se entiende con una comprensión básica de las secciones transversales de neutrones dependientes de la energía y la energía crítica de cada isótopo .

La energía crítica es el nivel de energía de excitación del núcleo por encima del cual puede ocurrir la fisión.

• En los isótopos fisionables, como el U-235, la energía crítica está en o por debajo de la excitación del núcleo cuando ha absorbido un neutrón. Entonces , cualquier neutrón absorbido puede causar fisión en estos núcleos, aunque todavía tienen una probabilidad de captura (el U-235 puede absorber un neutrón y convertirse en U-236 en lugar de fisionarse).
• En isótopos fisionables y no fisionables, como el U-238, la energía crítica es mayor que la excitación del núcleo cuando ha absorbido un neutrón, por lo que el neutrón debe aportar energía adicional para provocar la fisión.
• La baja energía crítica y la fisibilidad generalmente están relacionadas con recuentos de neutrones impares.

Secciones eficaces de neutrones dependientes de la energía

• El gráfico en el enlace muestra que solo los neutrones de muy alta energía pueden causar fisión en el U-238 (línea marrón del extremo derecho) (observe los ejes logarítmicos), lo que correlaciona el concepto de energía crítica; solo los neutrones por encima de cierta energía están trayendo lo suficiente al núcleo U-238 para que supere su energía crítica.
• También muestra que cualquier energía de neutrones puede causar fisión en el U-235.

Respuesta

• Dado que muy pocos neutrones nacen de la fisión a la energía requerida para fisionar el U-238 (y otros isótopos no fisionables), una reacción con solo U-238 no es sostenible.
• Todos los neutrones pueden causar fisión en el U-235, por lo que su reacción es sostenible.

El requisito para que un material sea fisionable (para poder sostener una reacción de fisión en cadena) no es simplemente que tenga neutrones, sino que cada fisión libere suficientes neutrones de la energía correcta para desencadenar más reacciones.

Da la casualidad (y no conozco una razón simple para esto, es solo la forma en que funcionan las ecuaciones), el U-238 no es fisionable. Puede romperlo con un neutrón rápido, pero no liberará suficientes neutrones rápidos para que esto continúe.

El U-235, por otro lado, es muy sensible a ser fragmentado por neutrones lentos (casi 600 veces más sensible según Wikipedia ). Además, a menudo libera múltiples neutrones cuando se rompe. Y es más fácil ralentizar los neutrones demasiado rápidos (esto es lo que hacen los moderadores ) que acelerar los demasiado lentos.

Es solo una desafortunada coincidencia que el U-238 tenga 3 neutrones más que el U-235, y la reacción en cadena del uranio de libro de texto implica la liberación de 3 neutrones libres, por lo que la gente piensa que el U-238 es el material fisionable. En realidad, el U-235 libera los 3 neutrones (de todos modos, tiene mucho de sobra), por lo que debemos trabajar duro para adquirir el U-235 bastante raro para cosechar el poder de las reacciones en cadena.

No depende de la cantidad de neutrones que tenga, sino de la cantidad de neutrones que libere en cada paso de la reacción en cadena. El isótopo se elige en base a esto.