?Qu¨¦ demontre es eso de la espalaci¨®n?

Pretendemos dar respuesta clara y veraz a la pregunta del t¨ªtulo, que tantas veces se nos ha formulado a las personas relacionadas con el proyecto de Fuente de Neutrones por Espalaci¨®n. El t¨¦rmino en s¨ª proviene de los conocimientos acumulados durante siglos y reflejados en los tratados de mec¨¢nica de la fractura, y se refiere al proceso por el cual un material eyecta fragmentos de diverso tama?o debido al impacto de un proyectil o una herramienta con energ¨ªa suficiente y que puede adem¨¢s suponer la rotura completa del material.

A lo que el t¨¦rmino se aplica en f¨ªsica subat¨®mica y nuclear tiene que ver, sin embargo, con reacciones nucleares consecuencia del impacto de un n¨²cleo at¨®mico con un proyectil de energ¨ªa generalmente superior a 100 millones de electronvoltios (un electronvoltio o eV es la energ¨ªa cin¨¦tica que adquiere un electr¨®n cuando es acelerado por una diferencia de potencial de un voltio y equivale a 1,6¡Á10-19 julios). Tales reacciones tienen generalmente lugar en dos secuencias de eventos bien diferenciadas. En la primera, el impacto del proyectil, pongamos por caso un prot¨®n o n¨²cleo de hidr¨®geno, con un n¨²cleo de un metal pesado como wolframio, plomo o mercurio, excita los componentes del n¨²cleo, o nucleones de este ¨²ltimo (protones y neutrones), transfiri¨¦ndoles su energ¨ªa y momento cin¨¦tico. Esta primera fase se conoce como cascada intranuclear. Dependiendo de los detalles de tal colisi¨®n, tales nucleones pueden escapar directamente del n¨²cleo o transferir energ¨ªa a otros dentro del mismo n¨²cleo formando un n¨²cleo compuesto y provocando un proceso de inestabilidad nuclear. La relajaci¨®n de tal n¨²cleo altamente excitado sigue aproximadamente el comportamiento predicho hace 70 a?os por Niels Bohr y Viktor Weisskopf e involucra, en lo fundamental, procesos de evaporaci¨®n nuclear y/o fisi¨®n en productos de menor n¨²mero at¨®mico que el n¨²cleo original, as¨ª como la eyecci¨®n de part¨ªculas subat¨®micas (fundamentalmente protones, neutrones, part¨ªculas alfa y mesones pi o piones), que r¨¢pidamente decaen en part¨ªculas ligeras o muones, y radiaci¨®n gamma (fotones).

Podemos medir las propiedades del neutr¨®n de la misma forma que lo hacemos con la luz

En las fuentes de neutrones por espalaci¨®n hay experiencia acumulada los ¨²ltimos 40 a?os

La secuencia de sucesos que se produce al colisionar un prot¨®n de unos 800 millones de eV, energ¨ªa a la que opera la fuente de neutrones brit¨¢nica ISIS, comienza con la excitaci¨®n interna de los n¨²cleos 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 n¨²cleos excitados mediante procesos de fisi¨®n y de evaporaci¨®n nuclear que transcurren mediante la emisi¨®n de varios neutrones por un n¨²cleo excitado, as¨ª como la rotura de tal n¨²cleo en fragmentos m¨¢s peque?os, conocidos como productos de espalaci¨®n.

Las reacciones de espalaci¨®n se producen espont¨¢neamente en la naturaleza debido al impacto de rayos c¨®smicos muy energ¨¦ticos 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 per¨ªodo comprendido entre el Big Bang y la formaci¨®n de nuestro sistema solar.

La posibilidad de producir haces de neutrones mediante la colisi¨®n de iones por ejemplo de helio con un metal como el berilio est¨¢ descrita en trabajos pioneros por Curie y Joliot y Crane y otros en 1933, aparecidos casi siete a?os 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 identificaci¨®n de los productos de fisi¨®n nuclear. La primera descripci¨®n b¨¢sica del proceso de espalaci¨®n se encuentra en los trabajos de tesis de Glenn T. Seaborg publicados en 1937 en Physical Review y es por tanto anterior a la descripci¨®n del proceso de fisi¨®n.

- ?Y todo esto para qu¨¦?

El inter¨¦s en producir haces intensos de neutrones para uso en investigaci¨®n tanto b¨¢sica (estructura y propiedades de materiales de todo tipo, ya sean naturales como prote¨ªnas o virus o artificiales) como aplicada (medida de tensiones en materiales estructurales, neutrograf¨ªa de dispositivos, etc¨¦tera) reside en su posible empleo para investigar dentro de un material:

- d¨®nde est¨¢n los ¨¢tomos que los componen,

- qu¨¦ movimientos ejecutan,

- c¨®mo est¨¢n dispuestos los momentos magn¨¦ticos que dan lugar al magnetismo que conocemos (por ejemplo, en la banda magn¨¦tica de una tarjeta de cr¨¦dito),

- c¨®mo est¨¢n formados los materiales a escala de nan¨®metros (por ejemplo, para investigar detalles de la membrana de una c¨¦lula viva o para estudiar c¨®mo limpia un detergente).

Para llevar a cabo este tipo de medidas se requieren neutrones con energ¨ªas del orden de 0,001 eV, que, convertida en unidades de temperatura, resulta ser del orden de unos 12 grados Kelvin. La energ¨ªa de un neutr¨®n de estas caracter¨ªsticas puede determinarse f¨¢cilmente 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 ¨¢tomos efect¨²an sus movimientos caracter¨ªsticos, que son del orden de picosegundos, lo que nos permite entonces estudiar en detalle el movimiento de los ¨¢tomos, ya que la herramienta para hacerlo es la adecuada.

Dado que adem¨¢s las part¨ªculas tienen asociada una onda, podemos medir las propiedades del neutr¨®n de la misma forma que lo hacemos con la luz (por ejemplo, descomponiendo un haz en los "colores" que lo forman mediante alg¨²n tipo de prisma, que en nuestro caso lo constituir¨¢n cristales de diversos materiales). Los neutrones que nos interesan tienen pues longitudes de onda (o "colores") comparables con las distancias entre ¨¢tomos del material (t¨ªpicamente 0,1 nan¨®metros, es decir un angstrom).

- ?Por qu¨¦ el proyecto ESS?

El esfuerzo que este proyecto involucra concierne a la provisi¨®n de una fuente intensa de neutrones en Europa que opere en el horizonte de 2025-2030, junto con otras actualmente en operaci¨®n, como los reactores experimentales del Institut Laue Langevin en Grenoble (Francia) y M¨²nich (Alemania) o las fuentes de espalaci¨®n brit¨¢nica (ISIS) y suiza (SINQ). Lo que esto quiere decir es que hay varias maneras aparte de la espalaci¨®n nuclear de producir haces intensos de neutrones como los que queremos y que fundamente involucran dos tipos de instalaci¨®n:

a) los reactores experimentales que operan en base a la fisi¨®n del material adecuado, como puede ser el uranio enriquecido en uno de sus is¨®topo y

b) sistemas en los que la reacci¨®n de producci¨®n se basa en el impacto de part¨ªculas cargadas como electrones, protones, deuterones (n¨²cleos de deuterio) o n¨²cleos de helio (part¨ªculas alfa) con un blanco de metal.

La forma ¨®ptima de producci¨®n de neutrones ser¨ªa aquella que:

a) tuviese un alto rendimiento, medido en t¨¦rminos del n¨²mero de neutrones liberados por evento (impacto de una part¨ªcula o una fisi¨®n),

b) que el calor generado por ese proceso fuese m¨ªnimo y,

c) que la energ¨ªa final del neutr¨®n fuese lo m¨¢s pr¨®xima a la requerida, que como hemos visto es del orden de 0,001 eV.

En cuanto al rendimiento, la reacci¨®n de espalaci¨®n es la elecci¨®n adecuada. En contrapartida, los neutrones generados muestran un espectro de energ¨ªas que alcanza los GeV y han de ser moderados para reducir su energ¨ªa 12 ¨®rdenes de magnitud. No obstante, a d¨ªa de hoy la generaci¨®n de haces muy intensos de neutrones mediante reacciones de espalaci¨®n para uso en una gran instalaci¨®n como ESS en Lund es la opci¨®n capaz de competir con las prestaciones que dar¨ªa un reactor de fisi¨®n. Existen otras opciones, aunque a d¨ªa de hoy la tecnolog¨ªa no se encuentra lo suficientemente madura para afrontar la construcci¨®n de una instalaci¨®n para dar servicio a usuarios basada en ellas.

En el caso de las fuentes de neutrones por espalaci¨®n, existe experiencia acumulada a lo largo de los ¨²ltimos 40 a?os que comenz¨® con el desarrollo en los primeros a?os setenta de la instalaci¨®n 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 ?lamos (Nuevo M¨¦xico, EE UU) para uso civil. Tales esfuerzos fueron pronto continuados en el laboratorio KEK en Tsukuba (Jap¨®n) por Motoharu Kimura y Noburu Watanabe, dando comienzo a la instalaci¨®n KENS, operativa hasta comienzos de la d¨¦cada de 2000, siendo reemplazada por una infraestructura dentro del complejo J-PARC.

La opci¨®n seleccionada por ESS-Bilbao para su instalaci¨®n en Leioa involucra, en su primera fase, la colisi¨®n de protones de unos 50 MeV con un blanco de berilio, que resultar¨¢ en flujos de neutrones tres ¨®rdenes de magnitud menos intensos que los que podr¨ªa proporcionar la instalaci¨®n en Lund. En contrapartida, los neutrones generados tendr¨¢n energ¨ªas dos ¨®rdenes de magnitud menores que los generados por ESS-Lund lo que, teniendo adem¨¢s en cuenta su m¨¢s modesta intensidad permiten operar la instalaci¨®n de manera segura en un entorno poblado como el campus cient¨ªfico de UPV. El objetivo de tal instalaci¨®n es, sin embargo, diferente del de una fuente de espalaci¨®n de potencia. De hecho, este se centra en el desarrollo de instrumentaci¨®n neutr¨®nica, as¨ª 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 preparaci¨®n de experimentos y apoyo a usuarios como en el desarrollo de componentes para el acelerador y blanco de espalaci¨®n, como son, por ejemplo, los sistemas de moderaci¨®n que reducen la energ¨ªa del neutr¨®n hasta los valores de inter¨¦s referidos.

Javier Bermejo y Fernando Sordo son director de ESS-Bilbao y jefe del grupo de Blancos y Aplicaciones Neutr¨®nicas de ESS-Bilbao, respectivamente.