Una reacción nuclear en cadena es una secuencia de reacciones nucleares individuales , cada una de las cuales es causada por una partícula que apareció como producto de reacción en el paso anterior de la secuencia. Un ejemplo de una reacción nuclear en cadena es la reacción en cadena de la fisión nuclear de elementos pesados, en la que el número principal de eventos de fisión es iniciado por neutrones obtenidos de la fisión nuclear en la generación anterior.
La transformación de una sustancia va acompañada de la liberación de energía libre solo si la sustancia tiene una reserva de energía. Esto último significa que las micropartículas de la sustancia están en un estado con una energía de reposo mayor que en otro estado posible, la transición a la que existe. La transición espontánea siempre es impedida por una barrera de energía , para superar la cual la micropartícula debe recibir cierta cantidad de energía del exterior: la energía de excitación. La reacción exoenergética consiste en que en la transformación que sigue a la excitación se libera más energía de la necesaria para excitar el proceso. Hay dos formas de superar la barrera de la energía: ya sea debido a la energía cinética de las partículas que chocan, o debido a la energía de enlace de la partícula que se adhiere.
Si tenemos en cuenta las escalas macroscópicas de la liberación de energía, entonces la energía cinética necesaria para la excitación de las reacciones debe tener todas o al menos algunas de las partículas de la sustancia. Esto solo se puede lograr cuando la temperatura del medio aumenta a un valor en el que la energía del movimiento térmico se acerca al valor del umbral de energía , que limita el curso del proceso. En el caso de las transformaciones moleculares, es decir, las reacciones químicas , tal incremento suele ser de cientos de kelvins, mientras que en el caso de las reacciones nucleares es de al menos 10 7 K debido a la elevadísima altura de las barreras de Coulomb de los núcleos en colisión. La excitación térmica de las reacciones nucleares se ha llevado a cabo en la práctica sólo en la síntesis de los núcleos más ligeros, en los que las barreras de Coulomb son mínimas ( fusión termonuclear ).
La excitación por parte de las partículas que se unen no requiere una gran energía cinética y, por lo tanto, no depende de la temperatura del medio, ya que se produce debido a los enlaces no utilizados inherentes a las partículas de las fuerzas de atracción. Pero por otro lado, las partículas mismas son necesarias para excitar las reacciones. Y si nuevamente no tenemos en mente un acto de reacción separado, sino la producción de energía a escala macroscópica, entonces esto es posible solo cuando ocurre una reacción en cadena. Este último surge cuando las partículas que excitan la reacción reaparecen como productos de la reacción exoenergética.
Las reacciones en cadena se encuentran a menudo entre las reacciones químicas, donde el papel de las partículas con enlaces no utilizados lo desempeñan los átomos libres o los radicales . El mecanismo de reacción en cadena en las transformaciones nucleares puede ser proporcionado por neutrones que no tienen una barrera de Coulomb y excitan los núcleos tras la absorción. La aparición de la partícula requerida en el medio provoca una cadena de reacciones que se suceden una tras otra, que continúa hasta que la cadena se termina debido a la pérdida de la partícula portadora de la reacción. Hay dos causas principales de pérdidas: la absorción de una partícula sin emitir una secundaria y la salida de una partícula fuera del volumen de la sustancia que soporta el proceso en cadena.
Si solo aparece una partícula transportadora en cada acto de la reacción, entonces la reacción en cadena se llama no ramificada . Una reacción en cadena no ramificada no puede conducir a la liberación de energía a gran escala.
Si en cada paso de la reacción o en algún eslabón de la cadena aparece más de una partícula, entonces se produce una reacción en cadena ramificada, porque una de las partículas secundarias continúa la cadena iniciada, mientras que las otras dan nuevas cadenas que se ramifican nuevamente. . Es cierto que los procesos que conducen a la ruptura de la cadena compiten con el proceso de ramificación, y la situación actual da lugar a fenómenos limitantes o críticos específicos de las reacciones en cadena ramificada. Si el número de cadenas rotas es mayor que el número de cadenas nuevas que aparecen, entonces es imposible una reacción en cadena autosostenida (SCR). Incluso si se excita artificialmente mediante la introducción de una cierta cantidad de partículas necesarias en el medio, dado que la cantidad de cadenas en este caso solo puede disminuir, el proceso que ha comenzado decae rápidamente. Si el número de nuevas cadenas formadas supera el número de roturas, la reacción en cadena se propaga rápidamente por todo el volumen de la sustancia cuando aparece al menos una partícula inicial.
La región de estados de la materia con el desarrollo de una reacción en cadena autosostenida está separada de la región donde una reacción en cadena es generalmente imposible por un estado crítico . El estado crítico se caracteriza por la igualdad entre el número de nuevas cadenas y el número de roturas.
El logro de un estado crítico está determinado por una serie de factores. La fisión de un núcleo pesado es excitada por un neutrón y, como resultado del evento de fisión, aparece más de un neutrón (por ejemplo, para 235 U , el número de neutrones producidos en un evento de fisión es, en promedio, de 2 a 3). En consecuencia, el proceso de fisión puede dar lugar a una reacción en cadena ramificada, cuyos portadores serán los neutrones. Si la tasa de pérdida de neutrones (captura sin fisión, escapa del volumen de reacción, etc.) compensa la tasa de multiplicación de neutrones de tal manera que el factor de multiplicación de neutrones efectivo es exactamente igual a la unidad, entonces la reacción en cadena procede de forma estacionaria. modo. La introducción de retroalimentaciones negativas entre el factor de multiplicación efectivo y la tasa de liberación de energía hace posible implementar una reacción en cadena controlada, que se utiliza, por ejemplo, en ingeniería de energía nuclear . Si el factor de multiplicación es mayor que uno, la reacción en cadena se desarrolla exponencialmente; en las armas nucleares se utiliza una reacción en cadena de fisión descontrolada .