ESS, gran caudal de neutrones
2001/03/01 Kortabarria Olabarria, Beñardo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
La Fuente Europea de Espacial (European Spallation Source, ESS) es el nombre del proyecto europeo. Aunque el proyecto es de la Fundación Europea de la Ciencia (European Science Foundation), la ESS cuenta con el apoyo de los países de la Unión Europea. En definitiva, se trata de una planta de obtención de neutrones e investigación de materiales.
Tradición
El sistema más común para la obtención de neutrones son las reacciones nucleares. En los reactores nucleares convencionales se utiliza uranio 235 radiactivo para combustible. Este isótopo suele estar mezclado con el isótopo no radiactivo uranio 238, más abundante. Esto significa que para ser un reactor nuclear que haga bien el trabajo, el uranio debe enriquecerse mucho para que tenga el máximo contenido en el isótopo uranio 235. En las reacciones normales de fisión nuclear los átomos de uranio se rompen, se dividen en dos átomos más ligeros, los otros dos más… y además se liberan neutrones. Estos neutrones que se liberan -después de perder la avia- vuelven a chocar dentro del núcleo de combustible con otros núcleos de uranio, se rompen de nuevo y se forman núcleos más ligeros y neutrones… es la base de la reacción en cadena, la fisión nuclear.
Para la obtención de neutrones se pueden utilizar reactores nucleares -y se han usado-, pero provocan más de un problema. Una de ellas es la naturaleza de la reacción, el carácter de cadena, ya que es una reacción en cadena. Por tanto, esta reacción debe quedar de alguna manera, ya que si no se puede detener puede producirse un desastre enorme. Los reactores nucleares, además de producir la reacción, tienen esa función. En estas reacciones típicas se produce gran cantidad de neutrones, pero más importante es la cantidad de energía que se genera por efecto de la fisión, al dividir los núcleos en núcleos más pequeños. Por ello, la mayor parte de los reactores nucleares se han construido para obtener energía, para transformar esa energía que se genera de la fisión en energía térmica, eléctrica, etc.
Sin embargo, también se han realizado reactores nucleares de investigación, es decir, están adaptados a la obtención de neutrones en lugar de energía. Esta técnica es buena para conseguir neutrones, pero tiene sus limitaciones. Por un lado, hay que tener en cuenta, al menos los investigadores lo toman, que si el reactor no se utiliza para otra cosa para obtener neutrones, se desperdicia mucha energía. Por otro lado, el problema de la radiactividad, el de los residuos radiactivos, ya que hoy en día nadie sabe qué hacer para solucionar el problema de los residuos radiactivos.
Rompiendo la tradición
A la vista de las dificultades que presentan los reactores nucleares en general, incluso los adaptados para la obtención de neutrones, no es de extrañar que el número de reactores nucleares disminuya. Por tanto, en este siglo que acaba de empezar, no tiene mucho sentido pensar que si hay que hacer algo para conseguir neutrones, algo tiene que estar basado en técnicas de fisión.
Frente a las técnicas de fisión hay, entre otras, fuentes de espacial. Existe una diferencia sustancial entre el espacio y las reacciones nucleares: en las técnicas de espaciado no se rompen los núcleos de los átomos. Al no romperse los núcleos, no se produce fisión y al no producirse reacción de fisión, tampoco se produce radiactividad. Las fuentes de expansión se basan en protones. Estos protones se envían a gran velocidad en los aceleradores contra metales pesados como mercurio o plomo. Debido a que estos metales pesan muchos neutrones, al golpear los protones los neutrones se excitan y pasan a un estado de alta energía, pero luego se calma con la liberación. Se crean neutrones pero sin romper el núcleo. Esto es importante porque si no se rompe el núcleo atómico no hay reacción nuclear y por tanto no hay riesgo de radiación. Si bien en este proceso se produce radiación gamma, este tipo de radiación no presenta grandes riesgos.
La no ruptura del núcleo tiene más ventajas que las reacciones nucleares. De hecho, al no romperse los núcleos, la energía liberada es menor de lo normal. Por tanto, la energía utilizada para obtener un neutrón por espalación es mucho menor que la utilizada para obtener el mismo neutrón por reacciones nucleares. En este sentido, la técnica del espacio parece más sensata.
Si se buscan diferencias entre ambas técnicas, se puede mencionar la ausencia de reacción en cadena. En las reacciones nucleares, una vez iniciada la reacción en cadena, es imposible parar hasta que termina el combustible, mientras que en las fuentes de expansión no hay problema. Estas técnicas requieren únicamente la obtención de protones de alta energía, para lo cual es suficiente la ayuda del acelerador de partículas. El proceso puede quedar cuando uno quiera, ya que basta con dejar de enviar protones, no hace falta controlar las reacciones en cadena ni ralentizar la velocidad de los neutrones.
¿Para qué neutrones?
Las ventajas de utilizar la técnica de espalación para el uso de neutrones han quedado reflejadas en las líneas anteriores. Parece la técnica más adecuada, pero ¿para qué se necesitan neutrones? ¿Qué hace tan valiosos?
Desde el punto de vista de la usabilidad, el uso de neutrones resulta comprensible. Cuando se quiere saber cómo responde un determinado material o cómo es la composición microscópica de la materia, es necesario saber dónde están los átomos -la estructura atómica- y cómo se mueven o responden. Aunque esto es importante para la ciencia básica, puede ser más importante para la tecnología, ya que los nuevos materiales son la base de las nuevas tecnologías, todas las áreas de la tecnología están relacionadas con el comportamiento de los nuevos materiales. Para saber dónde se ubican los átomos y cómo se mueven, para compararlos con las características de determinados materiales, existen técnicas de dispersión, en este caso técnicas de dispersión de neutrones. Es decir, los neutrones de determinada energía chocan con muestras concretas y se investiga lo que ocurre con la muestra tanto durante el choque como después de hacerlo.
Las partículas más adecuadas para todo ello son los neutrones, aunque pueden utilizarse protones, la propia luz, los rayos X, etc. Los neutrones son partículas subatómicas que junto a los protones se encuentran en el núcleo de los átomos. Los neutrones tienen una particularidad, no tienen carga eléctrica. Por ello, las interacciones entre neutrones y materia son muy especiales, ya que pueden penetrar mucho en la materia. Los neutrones tienen otras particularidades: tienen un momento magnético, tienen la misma energía que los átomos o moléculas al interaccionar con la materia, tienen la longitud de onda de la distancia interatómica, son capaces de distinguir los isótopos del mismo núcleo… y estas características son de gran valor para diferentes estudios.
La dispersión de neutrones proporciona una excelente información microscópica sobre la estructura y dinámica de la materia. En el campo de la materia condensada, la aportación de neutrones ha sido perfecta para comprender el magnetismo y la base del cuántico. Para comprender plásticos, proteínas, polímeros, fibras, vidrio líquido, imanes, superconductores, entre otros, la investigación de neutrones ha sido muy importante, pero puede ser más importante.
Proyecto ESS
Al finalizar el proyecto de la acera, será 30 veces más potente que cualquier fuente existente.
Hoy en día existen fuentes de neutrones. Sin embargo, tienen problemas ya que son menos intensos que los reactores nucleares convencionales. El proyecto ESS pretende llevar a cabo un proyecto internacional de cooperación en Europa. Además, se pretende que esta fuente tenga un caudal mayor que los reactores nucleares existentes en la actualidad.
Los experimentos que se podrían realizar en ESS corresponderían a una nueva generación y podrían responder a numerosas preguntas en algunas de las áreas actuales, como los superconductores y la cosmología. Además de la física, la ESS sería útil en biología, química, ingeniería, geología y medicina. Por supuesto, también para investigar cuestiones importantes que se están introduciendo en la industria.
En estos momentos el proyecto está bastante maduro. Sin embargo, las posibilidades son diferentes, por lo que en la actualidad se están buscando soluciones, ya que tanto el edificio como los experimentos deberán ser adaptados. Así que el XXI. En previsión de posibles puntos de interés de investigación del siglo XX, los expertos reunidos en Donostia-San Sebastián analizan las posibilidades técnicas de la instalación. Es decir, debatirán cuáles pueden ser las instalaciones más adecuadas para dar respuesta a las necesidades de investigación. Si los planes siguieran buen camino, la construcción de la ESS comenzaría en 2004, finalizaría en 2010 y estaría plenamente operativa en 2012. Alemania es el país que más posibilidades tiene de acoger las instalaciones, aunque no hay nada decidido. En teoría, al menos.
Desde el punto de vista científico, el proyecto puede tener una gran importancia para la investigación de la estructura y dinámica de los materiales, ya que la ESS es una herramienta mucho más eficaz que las existentes. Esto significa que en el futuro se pueden abrir líneas de investigación aún desconocidas. Y eso es importante.
Sin embargo, en la importancia de este proyecto también tiene que ver el proyecto del rival. Y es que hasta ahora Europa ha sido el líder en esta línea de investigación. Si no se construyera la ESS, el liderazgo sería asumido por Estados Unidos, que ya están construyendo su propia fuente de expansión llamada SNS. No hay guerra fría, pero los estadounidenses van por delante. No es el peor acicate.
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