El descubrimiento del neutrón por el físico y Premio Nobel británico, James Chadwick, en 1932, representó un hito fundamental en la física moderna y en la comprensión de la estructura del átomo. Desde esa fecha, la investigación sobre neutrones es un reto fascinante. En España se estudian en la instalación HiSPANoS del CNA (Centro Nacional de Aceleradores) y, a nivel europeo, en el CERN (Centro Europeo de Investigaciones Nucleares) en el proyecto n_TOF.

Texto: M.ª José Prieto

Antes de Chadwick, Walther Bothe y Herbert Becker, así como Irène Curie y Frédéric Joliot-Curie, ya habían observado ciertos efectos al bombardear berilio con partículas alfa que, inicialmente, se atribuyeron a radiación gamma; sin embargo, estos resultados no cuadraban completamente con las propiedades conocidas de las radiaciones electromagnéticas. En el laboratorio Cavendish de Cambridge, Chadwick utilizó un enfoque experimental más riguroso para analizar las partículas expulsadas al colisionar partículas alfa con berilio. Observó que los datos solo podían explicarse suponiendo la existencia de una partícula sin carga eléctrica, pero con una masa similar a la del protón. Esta partícula neutra, a la que llamó neutrón, no solo confirmó la teoría, sino que también resolvió problemas pendientes en la física nuclear, como la explicación de la estabilidad de ciertos núcleos y la existencia de isótopos. El misterio había quedado al descubierto. El CNA, en España, y el CERN, a nivel europeo, son dos de los organismos que se encargan de realizar investigaciones con haces de neutrones.

La primera cuestión es saber qué ventajas ofrecen y por qué es clave su estudio. José Manuel Quesada Molina, catedrático de Física Atómica, Molecular y Nuclear, coordinó desde su inicio (2000) hasta 2022 el grupo de la Universidad de Sevilla que participa en el experimento n_TOF del CERN. El programa tiene como principal objetivo la medida de secciones eficaces de reacciones nucleares inducidas por neutrones. «La principal característica de los neutrones, de la cual derivan sus ventajas (aunque también sus inconvenientes), consiste en la carencia de carga eléctrica. Ello les permite acercarse, por baja que sea su energía, a los núcleos atómicos (cargados positivamente por estar constituidos de protones y neutrones) e interactuar con ellos con la fuerza nuclear o fuerte, que es de muy corto alcance», explica. Sobre la relevancia de estas partículas, apunta que «el estudio de las reacciones inducidas por neutrones es crucial porque, además de sus aplicaciones (desde la fisión nuclear al estudio de materiales), estas desempeñan un papel esencial en la síntesis de los elementos más pesados que el hierro en las estrellas, la conocida como nucleosíntesis estelar». Carlos Guerrero, profesor titular de la Facultad de Física de Sevilla, es coordinador de Física Nuclear Básica del CNA, la Instalación Científico-Técnica Singular, ICTS, dedicada a la investigación interdisciplinar, entre otros campos, de los neutrones, en este caso en la instalación HiSPANoS. Bajo su punto de vista, la cuestión relevante es qué diferencia a los neutrones de otras partículas: «al no tener carga, los hace insensibles a las fuerzas electromagnéticas ejercidas por los electrones –con carga eléctrica negativa– que rodean a los átomos. Por ello, son una radiación muy penetrante y pueden atravesar espesores importantes de plomo y hormigón. A escala atómica, el neutrón tampoco siente la carga eléctrica positiva del núcleo y, por tanto, puede penetrar fácilmente en él, lo que los convierte en una poderosa sonda para estudiar la estructura nuclear e inducir reacciones nucleares, por ejemplo, fisión». El siguiente punto para debatir es por qué resulta cardinal saber cómo reaccionan los neutrones de distintas energías y con todo tipo de materiales. «El estudio de las reacciones inducidas por neutrones permite desentrañar la génesis de los núcleos atómicos en las estrellas. En concreto, la magnitud fundamental es la llamada sección eficaz de reacción, que es proporcional a la probabilidad de que al incidir un neutrón en un núcleo se produzca un resultado concreto (recordemos que la física cuántica es esencialmente probabilística). Dicha magnitud depende del núcleo blanco, del resultado de la reacción y de la energía del neutrón incidente. Además, es esencial conocer con precisión las secciones eficaces de reacción para optimizar el diseño de reactores nucleares de fisión avanzados, ya que son cruciales para la dinámica del reactor. Igualmente, el estudio del comportamiento de diferentes materiales estructurales sometidos a un elevado flujo neutrónico (tal como el existente en los actuales reactores de fisión y, mucho más alto, en un futuro reactor de fusión nuclear) es fundamental para el diseño de los sistemas de confinamiento», destaca José Manuel Quesada Molina. 

Carlos Guerrero, que coordina desde 2022 el grupo de la Universidad de Sevilla que participa en el experimento n_TOF del CERN, subraya que los neutrones aparecen y son importantes en situaciones muy diversas. «Resumiendo mucho, quizás demasiado, se encuentran en el seno de las estrellas, donde son responsables de la creación mediante reacciones de captura neutrónica (por las que el átomo incorpora un neutrón al núcleo, dando lugar a elementos más pesados) de la gran mayoría de los elementos que encontramos en el universo; se producen en los reactores nucleares actuales y son los responsables de mantener las reacciones de fisión en cadena que generan el 20 % de la electricidad consumida en España; también se producirán y serán elementales para extraer energía y producir combustible en los futuros reactores de fusión; además se generan en la atmósfera mediante reacciones nucleares producidas por los rayos cósmicos, radiación de alta energía que llega a la Tierra procedente del espacio, y que hay que considerar para proteger debidamente tanto los dispositivos como a los tripulantes de vuelos comerciales y suborbitales», explica. En este caso, el daño que pueden causar a los organismos vivos «pueden usarse de forma controlada para acabar con algunos tipos muy particulares de tumores mediante la técnica BNCT, una forma experimental de tratamiento contra el cáncer». Y matiza que «en cada uno de estos ejemplos los neutrones involucrados tienen energías (medida en unidades de electronvoltio, eV) muy diferentes, desde milésimas de eV en los reactores nucleares, a cientos de millones de  eV en la atmósfera, pasando por decenas de miles de eV en las estrellas. Es por ello necesario conocer el tipo de reacciones nucleares y la probabilidad de que estas se produzcan entre neutrones y un muy amplio abanico de materiales en un rango de energía que abarca más de nueve órdenes de magnitud». Próxima generación de reactores Un eslabón central serán las aplicaciones técnicas derivadas del estudio de los neutrones. Tal y como explica José Manuel Quesada, «el estudio de las reacciones inducidas por neutrones contribuye a la mejora de los diseños de la Fuera del ámbito estricto de la física nuclear, «los haces de neutrones (producidos con un acelerador de partículas, normalmente de protones o deuterio, que inciden sobre un blanco o extraídos de un reactor nuclear) son una valiosísima herramienta para estudios de Química, Biología y Ciencia de Materiales, como atestigua la construcción en Uppsala, Suecia, de la ESS (European Spallation Source), a cuya sede optó España en su momento y que tiene en Bilbao uno de sus centros de desarrollo.

En Grenoble, Francia, otra instalación internacional, el ILL (Institut Laue-Langevin), utiliza próxima generación de reactores de fisión nuclear, en aras de maximizar la seguridad y la producción de energía, al tiempo que se disminuye el impacto ambiental de los residuos, mediante la minimización de la producción de isótopos de vidas más largas. Tanto para la mejora del diseño de los reactores de fisión nuclear como para el desarrollo del futuro prototipo demostrativo de fusión, es fundamental el estudio experimental de los efectos de la irradiación por neutrones en los materiales estructurales de sus recintos de contención y sistemas auxiliares». Fuera del ámbito estricto de la física nuclear, «los haces de neutrones (producidos con un acelerador de partículas, normalmente de protones o deuterio, que inciden sobre un blanco o extraídos de un reactor nuclear) son una valiosísima herramienta para estudios de Química, Biología y Ciencia de Materiales, como atestigua la construcción en Uppsala, Suecia, de la ESS (European Spallation Source), a cuya sede optó España en su momento y que tiene en Bilbao uno de sus centros de desarrollo. En Grenoble, Francia, otra instalación internacional, el ILL (Institut Laue-Langevin), utiliza desde hace años neutrones extraídos de un reactor nuclear para múltiples estudios interdisciplinares», detalla el experto del CERN. El estudio de los neutrones facilitará el diseño de los reactores nucleares avanzados de fisión y fusión, tal y como revela Carlos Guerrero: «en fusión, aunque los neutrones son claves para la producción del calor que se convertirá en electricidad y del tritio que usaría como combustible, los retos actuales en el diseño de reactores de fusión tienen que ver principalmente con el mantenimiento del confinamiento del plasma durante el tiempo suficiente, de modo que salvo para algunas reacciones nucleares específicas, el conocimiento actual de las secciones eficaces de neutrones involucradas parece ser suficiente. Por el contrario, los reactores nucleares de fisión actuales y la gran mayoría de aquellos en fase de diseño, operan en modo de criticidad, es decir, el número de neutrones producidos por la fisión debe coincidir exactamente con el número de neutrones absorbidos y fugados del reactor. Los reactores actualmente en fase de diseño, los denominados de IV Generación, persiguen una operación más segura y un uso más eficiente del combustible, así como la minimización de los residuos generados; lo cual se consigue mediante novedosas configuraciones con diferentes composiciones de combustibles, materiales estructurales, refrigerante, moderador (actualmente agua) y, por último, el uso en algunos casos de neutrones rápidos (de alta energía) en lugar de térmicos (de baja energía) para mantener la reacción en cadena. Al ser el equilibrio de criticidad tan delicado, los cálculos neutrónicos deben ser muy precisos y esto solo se consigue con base en un conocimiento muy preciso de las secciones eficaces de neutrones para reacciones y materiales cuya importancia es mucho menor para el caso de los reactores actuales, pero que es fundamental para el diseño de los futuros. En este sentido, los experimentos denominados de validación» en reactores nucleares experimentales sirven para identificar aquellas secciones eficaces que necesitan ser mejoradas, ocupándose la Agencia de Energía Nuclear (NEA, por sus siglas en inglés) de la OCDE de recopilar los más prioritarios en la denominada «High Priority Request List».

Gestión de los residuos radiactivos

Descubrir cómo y con qué probabilidad interaccionan los neutrones con la materia ayudará a comprender parámetros fundamentales para la gestión de los residuos radiactivos. José Manuel Quesada reconoce que será «clave en el desarrollo de los dispositivos ADS (acrónimo de Accelerator Driven System, o Sistema Mantenido por Acelerador), destinados a transmutar los isótopos más longevos de los residuos nucleares ya producidos en otros de vidas medias más cortas al tiempo que se genera energía mediante fisión nuclear de forma más segura (la reacción se para en cuanto se apaga el acelerador de protones que la mantiene) y con una menor producción de residuos». Para el experto del CNA, «la probabilidad con que se produce una reacción nuclear está relacionada con una magnitud denominada «sección eficaz de la reacción», que en el caso de los neutrones es especialmente sensible a la energía del neutrón, el material con el que interaccionan, y el tipo de reacción considerada: dispersión, captura, fisión, producción de gas, etc. Por ejemplo, conocer las secciones eficaces de fisión nos permite diseñar los reactores nucleares calculando con precisión la cantidad de fisiones ocurridas en el combustible nuclear. Estas son las que producen la energía útil, pero también y como resultado, los fragmentos de fisión como el 90Sr o el 137Cs que dominan la actividad del combustible gastado durante los primeros cientos de años. Por otro lado, la captura de neutrones genera los actínicos como el plutonio, neptunio o americio, responsables de prolongar la radiotoxicidad del combustible gastado durante decenas de miles de años. Al estudiar ambas reacciones, podemos conocer la composición del combustible nuclear durante la operación y retirado de las barras una vez que se han agotado, siendo este el primer paso para la correcta gestión del combustible gastado como residuo nuclear. Por otro lado, además de las secciones eficaces, hay otras magnitudes como las vidas medias (una medida del tiempo que tarda en desintegrarse un isótopo radiactivo) y modos de desintegración de los elementos radiactivos que conforman los residuos que son igualmente fundamentales a la hora de calcular, por ejemplo, el calor emitido y la evolución de la composición del combustible gastado con el paso de los años, necesarios ambos para una correcta y segura gestión de los mismos». Como conclusión, Carlos Guerrero puntualiza que «en todo proceso de gestión de residuos se trata de seguir la regla de las 3 erres «Reducir, Reutilizar y Reciclar», y en este sentido el combustible gastado actual posee un gran potencial como combustible de reactores nucleares con diseños avanzados que permitirían avanzar en línea con la mencionada regla. Por supuesto, para ello es necesario conocer en mucho más detalle que en la actualidad el comportamiento de los neutrones cuando se enfrentan núcleos de plutonio, neptunio o americio que hoy en día son considerados simplemente residuos, pero podrían ser la base del combustible nuclear del futuro». 

Aportaciones a la astrofísica nuclear

El estudio de los neutrones aporta importantes claves al campo de la astrofísica nuclear. Como señala José Manuel Quesada «la generación de los núcleos atómicos más pesados que el hierro tiene lugar en las estrellas (gigantes rojas, supernovas, estrellas de neutrones...) mediante procesos de captura neutrónica secuenciales, que compiten con la desintegración radiactiva en los isótopos llamados puntos de ramificación; por lo tanto, es preciso conocer con precisión las secciones eficaces de captura neutrónica de dichos isótopos para poder simular las complejas cascadas de capturas y desintegraciones cuyas predicciones deben ser comparadas con la abundancia isotópica observada en el cosmos». El coordinador de Física Nuclear Básica del CNA explica para Alfa cómo «las estrellas en fases más avanzadas que nuestro Sol tienen una estructura compleja en la que no solo hay hidrógeno y helio, sino que mediante reacciones de fusión nuclear se logran sintetizar elementos como el carbono, el oxígeno, y el resto de los elementos más ligeros que el hierro. Todos los elementos más pesados que encontramos en nuestro planeta, desde el cobalto, el níquel y el cobre hasta el plomo y el bismuto, se producen mediante reacciones nucleares de captura de neutrones a cientos de millones de grados en las estrellas masivas y en procesos explosivos como las supernovas y las colisiones de estrellas de neutrones o agujeros negros. Por ello, los estudios de evolución y nucleosíntesis estelar necesitan incluir los mecanismos por los que estos neutrones son generados y absorbidos para producir nuevos elementos, es decir, las secciones eficaces de producción y de captura de neutrones en las centenas de núcleos que se distribuyen entre el hierro y el bismuto. Conforme mejora el conocimiento de estas magnitudes a través de nuevos experimentos, los cálculos de nucleosíntesis ganan en exactitud y permiten avanzar en el conocimiento del funcionamiento de las estrellas y de la evolución química de nuestra galaxia».