¿Qué demontre es eso de la espalación?

Pretendemos dar respuesta clara y veraz a la pregunta del título, que tantas veces se nos ha formulado a las personas relacionadas con el proyecto de Fuente de Neutrones por Espalación. El término en sí proviene de los conocimientos acumulados durante siglos y reflejados en los tratados de mecánica de la fractura, y se refiere al proceso por el cual un material eyecta fragmentos de diverso tamaño debido al impacto de un proyectil o una herramienta con energía suficiente y que puede además suponer la rotura completa del material.

A lo que el término se aplica en física subatómica y nuclear tiene que ver, sin embargo, con reacciones nucleares consecuencia del impacto de un núcleo atómico con un proyectil de energía generalmente superior a 100 millones de electronvoltios (un electronvoltio o eV es la energía cinética que adquiere un electrón cuando es acelerado por una diferencia de potencial de un voltio y equivale a 1,6×10-19 julios). Tales reacciones tienen generalmente lugar en dos secuencias de eventos bien diferenciadas. En la primera, el impacto del proyectil, pongamos por caso un protón o núcleo de hidrógeno, con un núcleo de un metal pesado como wolframio, plomo o mercurio, excita los componentes del núcleo, o nucleones de este último (protones y neutrones), transfiriéndoles su energía y momento cinético. Esta primera fase se conoce como cascada intranuclear. Dependiendo de los detalles de tal colisión, tales nucleones pueden escapar directamente del núcleo o transferir energía a otros dentro del mismo núcleo formando un núcleo compuesto y provocando un proceso de inestabilidad nuclear. La relajación de tal núcleo altamente excitado sigue aproximadamente el comportamiento predicho hace 70 años por Niels Bohr y Viktor Weisskopf e involucra, en lo fundamental, procesos de evaporación nuclear y/o fisión en productos de menor número atómico que el núcleo original, así como la eyección de partículas subatómicas (fundamentalmente protones, neutrones, partículas alfa y mesones pi o piones), que rápidamente decaen en partículas ligeras o muones, y radiación gamma (fotones).

Podemos medir las propiedades del neutrón de la misma forma que lo hacemos con la luz

En las fuentes de neutrones por espalación hay experiencia acumulada los últimos 40 años

La secuencia de sucesos que se produce al colisionar un protón de unos 800 millones de eV, energía a la que opera la fuente de neutrones británica ISIS, comienza con la excitación interna de los núcleos del metal, dando lugar a una cascada intranuclear aludida arriba. Terminada la cascada intranuclear, una segunda etapa involucra procesos de vuelta al equilibrio de los núcleos excitados mediante procesos de fisión y de evaporación nuclear que transcurren mediante la emisión de varios neutrones por un núcleo excitado, así como la rotura de tal núcleo en fragmentos más pequeños, conocidos como productos de espalación.

Las reacciones de espalación se producen espontáneamente en la naturaleza debido al impacto de rayos cósmicos muy energéticos con materia a bajas densidades, como la que forma el polvo interestelar, y, de hecho, se supone que han sido procesos de este tipo los que han dado lugar a que elementos tales como el litio, berilio o boro se formasen en el universo primitivo en el transcurso del período comprendido entre el Big Bang y la formación de nuestro sistema solar.

La posibilidad de producir haces de neutrones mediante la colisión de iones por ejemplo de helio con un metal como el berilio está descrita en trabajos pioneros por Curie y Joliot y Crane y otros en 1933, aparecidos casi siete años antes de los trabajos de Lise Meitner y Otto Frisch publicados en Nature en 1939 en los que se interpretan sus experimentos sobre bombardeo de uranio con neutrones y la identificación de los productos de fisión nuclear. La primera descripción básica del proceso de espalación se encuentra en los trabajos de tesis de Glenn T. Seaborg publicados en 1937 en Physical Review y es por tanto anterior a la descripción del proceso de fisión.

- ¿Y todo esto para qué?

El interés en producir haces intensos de neutrones para uso en investigación tanto básica (estructura y propiedades de materiales de todo tipo, ya sean naturales como proteínas o virus o artificiales) como aplicada (medida de tensiones en materiales estructurales, neutrografía de dispositivos, etcétera) reside en su posible empleo para investigar dentro de un material:

- dónde están los átomos que los componen,

- qué movimientos ejecutan,

- cómo están dispuestos los momentos magnéticos que dan lugar al magnetismo que conocemos (por ejemplo, en la banda magnética de una tarjeta de crédito),

- cómo están formados los materiales a escala de nanómetros (por ejemplo, para investigar detalles de la membrana de una célula viva o para estudiar cómo limpia un detergente).

Para llevar a cabo este tipo de medidas se requieren neutrones con energías del orden de 0,001 eV, que, convertida en unidades de temperatura, resulta ser del orden de unos 12 grados Kelvin. La energía de un neutrón de estas características puede determinarse fácilmente midiendo su velocidad, que es de unos cientos de metros por segundo. El orden de magnitud de tales velocidades es similar a aquel en que los átomos efectúan sus movimientos característicos, que son del orden de picosegundos, lo que nos permite entonces estudiar en detalle el movimiento de los átomos, ya que la herramienta para hacerlo es la adecuada.

Dado que además las partículas tienen asociada una onda, podemos medir las propiedades del neutrón de la misma forma que lo hacemos con la luz (por ejemplo, descomponiendo un haz en los "colores" que lo forman mediante algún tipo de prisma, que en nuestro caso lo constituirán cristales de diversos materiales). Los neutrones que nos interesan tienen pues longitudes de onda (o "colores") comparables con las distancias entre átomos del material (típicamente 0,1 nanómetros, es decir un angstrom).

- ¿Por qué el proyecto ESS?

El esfuerzo que este proyecto involucra concierne a la provisión de una fuente intensa de neutrones en Europa que opere en el horizonte de 2025-2030, junto con otras actualmente en operación, como los reactores experimentales del Institut Laue Langevin en Grenoble (Francia) y Múnich (Alemania) o las fuentes de espalación británica (ISIS) y suiza (SINQ). Lo que esto quiere decir es que hay varias maneras aparte de la espalación nuclear de producir haces intensos de neutrones como los que queremos y que fundamente involucran dos tipos de instalación:

a) los reactores experimentales que operan en base a la fisión del material adecuado, como puede ser el uranio enriquecido en uno de sus isótopo y

b) sistemas en los que la reacción de producción se basa en el impacto de partículas cargadas como electrones, protones, deuterones (núcleos de deuterio) o núcleos de helio (partículas alfa) con un blanco de metal.

La forma óptima de producción de neutrones sería aquella que:

a) tuviese un alto rendimiento, medido en términos del número de neutrones liberados por evento (impacto de una partícula o una fisión),

b) que el calor generado por ese proceso fuese mínimo y,

c) que la energía final del neutrón fuese lo más próxima a la requerida, que como hemos visto es del orden de 0,001 eV.

En cuanto al rendimiento, la reacción de espalación es la elección adecuada. En contrapartida, los neutrones generados muestran un espectro de energías que alcanza los GeV y han de ser moderados para reducir su energía 12 órdenes de magnitud. No obstante, a día de hoy la generación de haces muy intensos de neutrones mediante reacciones de espalación para uso en una gran instalación como ESS en Lund es la opción capaz de competir con las prestaciones que daría un reactor de fisión. Existen otras opciones, aunque a día de hoy la tecnología no se encuentra lo suficientemente madura para afrontar la construcción de una instalación para dar servicio a usuarios basada en ellas.

En el caso de las fuentes de neutrones por espalación, existe experiencia acumulada a lo largo de los últimos 40 años que comenzó con el desarrollo en los primeros años setenta de la instalación ZING-P (rebautizada a finales de los setenta como Intense Pulsed Neutron Source) en el Laboratorio Nacional de Argonne (Illinois, EE UU), por Jack M. Carpenter y David L. Price concurrentemente con la apertura de algunas instalaciones del Laboratorio Nacional de Los Álamos (Nuevo México, EE UU) para uso civil. Tales esfuerzos fueron pronto continuados en el laboratorio KEK en Tsukuba (Japón) por Motoharu Kimura y Noburu Watanabe, dando comienzo a la instalación KENS, operativa hasta comienzos de la década de 2000, siendo reemplazada por una infraestructura dentro del complejo J-PARC.

La opción seleccionada por ESS-Bilbao para su instalación en Leioa involucra, en su primera fase, la colisión de protones de unos 50 MeV con un blanco de berilio, que resultará en flujos de neutrones tres órdenes de magnitud menos intensos que los que podría proporcionar la instalación en Lund. En contrapartida, los neutrones generados tendrán energías dos órdenes de magnitud menores que los generados por ESS-Lund lo que, teniendo además en cuenta su más modesta intensidad permiten operar la instalación de manera segura en un entorno poblado como el campus científico de UPV. El objetivo de tal instalación es, sin embargo, diferente del de una fuente de espalación de potencia. De hecho, este se centra en el desarrollo de instrumentación neutrónica, así como el servir de apoyo al trabajo a desarrollar en las fuentes intensas (ILL, ISIS, la Spallation Neutron Source en EE UU, o Lund en el futuro), tanto en la preparación de experimentos y apoyo a usuarios como en el desarrollo de componentes para el acelerador y blanco de espalación, como son, por ejemplo, los sistemas de moderación que reducen la energía del neutrón hasta los valores de interés referidos.

Javier Bermejo y Fernando Sordo son director de ESS-Bilbao y jefe del grupo de Blancos y Aplicaciones Neutrónicas de ESS-Bilbao, respectivamente.