ESS, gran caudal de neutróns
2001/03/01 Kortabarria Olabarria, Beñardo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
A Fonte Europea de Espacial (European Spallation Source, ESS) é o nome do proxecto europeo. Aínda que o proxecto é da Fundación Europea da Ciencia (European Science Foundation), a ESS conta co apoio dos países da Unión Europea. En definitiva, trátase dunha planta de obtención de neutróns e investigación de materiais.
Tradición
O sistema máis común paira a obtención de neutróns son as reaccións nucleares. Nos reactores nucleares convencionais utilízase uranio 235 radioactivo paira combustible. Este isótopo adoita estar mesturado co isótopo non radioactivo uranio 238, máis abundante. Isto significa que paira ser un reactor nuclear que faga ben o traballo, o uranio debe enriquecerse moito para que teña o máximo contido no isótopo uranio 235. Nas reaccións normais de fisión nuclear os átomos de uranio rompen, divídense en dous átomos máis lixeiros, os outros dous máis… e ademais libéranse neutróns. Estes neutróns que se liberan -despois de perder a avia- volven chocar dentro do núcleo de combustible con outros núcleos de uranio, rompen de novo e fórmanse núcleos máis lixeiros e neutróns… é a base da reacción en cadea, a fisión nuclear.
Paira a obtención de neutróns pódense utilizar reactores nucleares -e usáronse-, pero provocan máis dun problema. Una delas é a natureza da reacción, o carácter de cadea, xa que é una reacción en cadea. Por tanto, esta reacción debe quedar dalgunha maneira, xa que se non se pode deter pode producirse un desastre enorme. Os reactores nucleares, ademais de producir a reacción, teñen esa función. Nestas reaccións típicas prodúcese gran cantidade de neutróns, pero máis importante é a cantidade de enerxía que se xera por efecto da fisión, ao dividir os núcleos en núcleos máis pequenos. Por iso, a maior parte dos reactores nucleares construíronse paira obter enerxía, paira transformar esa enerxía que se xera da fisión en enerxía térmica, eléctrica, etc.
Con todo, tamén se realizaron reactores nucleares de investigación, é dicir, están adaptados á obtención de neutróns en lugar de enerxía. Esta técnica é boa paira conseguir neutróns, pero ten as súas limitacións. Por unha banda, hai que ter en conta, polo menos os investigadores tómano, que se o reactor non se utiliza paira outra cousa paira obter neutróns, desperdíciase moita enerxía. Doutra banda, o problema da radioactividade, o dos residuos radioactivos, xa que hoxe en día ninguén sabe que facer paira solucionar o problema dos residuos radioactivos.
Rompendo a tradición
Á vista das dificultades que presentan os reactores nucleares en xeral, incluso os adaptados paira a obtención de neutróns, non é de estrañar que o número de reactores nucleares diminúa. Por tanto, neste século que acaba de empezar, non ten moito sentido pensar que si hai que facer algo paira conseguir neutróns, algo ten que estar baseado en técnicas de fisión.
Fronte ás técnicas de fisión hai, entre outras, fontes de espacial. Existe una diferenza substancial entre o espazo e as reaccións nucleares: nas técnicas de espaciado non rompen os núcleos dos átomos. Ao non romper os núcleos, non se produce fisión e ao non producirse reacción de fisión, tampouco se produce radioactividade. As fontes de expansión baséanse en protones. Estes protones envíanse a gran velocidade nos aceleradores contra metais pesados como mercurio ou chumbo. Debido a que estes metais pesan moitos neutróns, ao golpear os protones os neutróns excítanse e pasan a un estado de alta enerxía, pero logo se calma coa liberación. Créanse neutróns pero sen romper o núcleo. Isto é importante porque se non rompe o núcleo atómico non hai reacción nuclear e por tanto non hai risco de radiación. Aínda que neste proceso prodúcese radiación gamma, este tipo de radiación non presenta grandes riscos.
A non ruptura do núcleo ten máis vantaxes que as reaccións nucleares. De feito, ao non romper os núcleos, a enerxía liberada é menor do normal. Por tanto, a enerxía utilizada paira obter un neutrón por espalación é moito menor que a utilizada paira obter o mesmo neutrón por reaccións nucleares. Neste sentido, a técnica do espazo parece máis sensata.
Se se buscan diferenzas entre ambas as técnicas, pódese mencionar a ausencia de reacción en cadea. Nas reaccións nucleares, una vez iniciada a reacción en cadea, é imposible parar ata que termina o combustible, mentres que nas fontes de expansión non hai problema. Estas técnicas requiren unicamente a obtención de protones de alta enerxía, para o que é suficiente a axuda do acelerador de partículas. O proceso pode quedar cando un queira, xa que basta con deixar de enviar protones, non fai falta controlar as reaccións en cadea nin retardar a velocidade dos neutróns.
Paira que neutróns?
As vantaxes de utilizar a técnica de espalación paira o uso de neutróns quedaron reflectidas nas liñas anteriores. Parece a técnica máis adecuada, pero paira que se necesitan neutróns? Que fai tan valiosos?
Desde o punto de vista da usabilidad, o uso de neutróns resulta comprensible. Cando se quere saber como responde un determinado material ou como é a composición microscópica da materia, é necesario saber onde están os átomos -a estrutura atómica- e como se moven ou responden. Aínda que isto é importante paira a ciencia básica, pode ser máis importante paira a tecnoloxía, xa que os novos materiais son a base das novas tecnoloxías, todas as áreas da tecnoloxía están relacionadas co comportamento dos novos materiais. Paira saber onde se sitúan os átomos e como se moven, paira comparalos coas características de determinados materiais, existen técnicas de dispersión, neste caso técnicas de dispersión de neutróns. É dicir, os neutróns de determinada enerxía chocan con mostras concretas e investígase o que ocorre coa mostra tanto durante o choque como despois de facelo.
As partículas máis adecuadas paira todo iso son os neutróns, aínda que poden utilizarse protones, a propia luz, os raios X, etc. Os neutróns son partículas subatómicas que xunto aos protones atópanse no núcleo dos átomos. Os neutróns teñen una particularidade, non teñen carga eléctrica. Por iso, as interaccións entre neutróns e materia son moi especiais, xa que poden penetrar moito na materia. Os neutróns teñen outras particularidades: teñen un momento magnético, teñen a mesma enerxía que os átomos ou moléculas ao interaccionar coa materia, teñen a lonxitude de onda da distancia interatómica, son capaces de distinguir os isótopos do mesmo núcleo… e estas características son de gran valor paira diferentes estudos.
A dispersión de neutróns proporciona una excelente información microscópica sobre a estrutura e dinámica da materia. No campo da materia condensada, a achega de neutróns foi perfecta paira comprender o magnetismo e a base do cuántico. Paira comprender plásticos, proteínas, polímeros, fibras, vidro líquido, imáns, superconductores, entre outros, a investigación de neutróns foi moi importante, pero pode ser máis importante.
Proxecto ESS
Ao finalizar o proxecto da beirarrúa, será 30 veces máis potente que calquera fonte existente.
Hoxe en día existen fontes de neutróns. Con todo, teñen problemas xa que son menos intensos que os reactores nucleares convencionais. O proxecto ESS pretende levar a cabo un proxecto internacional de cooperación en Europa. Ademais, preténdese que esta fonte teña un caudal maior que os reactores nucleares existentes na actualidade.
Os experimentos que se poderían realizar en ESS corresponderían a unha nova xeración e poderían responder a numerosas preguntas nalgunhas das áreas actuais, como os superconductores e a cosmología. Ademais da física, a ESS sería útil en bioloxía, química, enxeñaría, xeoloxía e medicamento. Por suposto, tamén paira investigar cuestións importantes que se están introducindo na industria.
Nestes momentos o proxecto está bastante maduro. Con todo, as posibilidades son diferentes, polo que na actualidade están a buscarse solucións, xa que tanto o edificio como os experimentos deberán ser adaptados. Así que o XXI. En previsión de posibles puntos de interese de investigación do século XX, os expertos reunidos en Donostia-San Sebastián analizan as posibilidades técnicas da instalación. É dicir, debaterán cales poden ser as instalacións máis adecuadas paira dar resposta ás necesidades de investigación. Se os plans seguisen bo camiño, a construción da ESS comezaría en 2004, finalizaría en 2010 e estaría plenamente operativa en 2012. Alemaña é o país que máis posibilidades ten de acoller as instalacións, aínda que non hai nada decidido. En teoría, polo menos.
Desde o punto de vista científico, o proxecto pode ter una gran importancia paira a investigación da estrutura e dinámica dos materiais, xa que a ESS é una ferramenta moito máis eficaz que as existentes. Isto significa que no futuro pódense abrir liñas de investigación aínda descoñecidas. E iso é importante.
Con todo, na importancia deste proxecto tamén ten que ver o proxecto do rival. E é que até agora Europa foi o líder nesta liña de investigación. Se non se construíse a ESS, o liderado sería asumido por Estados Unidos, que xa están a construír a súa propia fonte de expansión chamada SNS. Non hai guerra fría, pero os estadounidenses van por diante. Non é o peor acicate.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
