DETECTORES DE ANTINEUTRINOS

Los detectores de antineutrinos contra la proliferación nuclear

Hoy en día, dada la cantidad de reactores nucleares dispersos por el mundo, ya sean comerciales o de investigación, asegurar que una nación esté usando la tecnología nuclear exclusivamente con propósitos pacíficos no es tarea fácil.

El combustible empleado en los reactores de fisión está enriquecido entre el 3 y el 5% por lo que, de manera directa, no es útil para uso militar, dado que para fabricar una bomba atómica se necesitan decenas de kilos de uranio altamente enriquecido, más allá del 90% en U-235. Sin embargo, se necesitan menos de 10 kg de plutonio para construir un artefacto explosivo y este elemento se puede producir mediante el quemado del uranio en los reactores.

Por tanto, para evitar la proliferación nuclear es necesario verificar que los reactores nucleares operan de manera segura, priorizando la generación de electricidad sin maximizar la producción de plutonio.

 

La solución que se está desarrollando actualmente para llevar a cabo esta tarea de vigilancia es la de implementar un dispositivo pasivo en las cercanías del reactor que transmita información en tiempo real de su contenido en material físil, delatando cualquier extracción de plutonio.

En esta línea, los investigadores han comenzado a explorar las posibilidades de utilizar los detectores de antineutrinos como monitores del reactor.

Un antineutrino es una partícula de carga nula y masa diez mil veces menor que la del electrón, que se produce en los procesos de desintegración b-, una reacción muy común en los reactores nucleares, dado que los productos de fisión inestables con exceso de neutrones decaen siguiendo este proceso en el que un neutrón se convierte en un protón, un electrón y un antineutrino.

Desintegración b del C-14

Los núcleos estables con el número atómico más probable tras la fisión de U-235 son Zr-94 y Ce-140, que entre ambos cuentan con 98 protones y 136 neutrones, mientras que los fragmentos de fisión tienen 92 protones y 142 neutrones. Esto significa que, después de cada fisión de U-235, los fragmentos de fisión sufren de media 6 decaimientos b- y, por tanto, se producen 6 antineutrinos por fisión. Como resultado, un reactor nuclear genera unos 6×1020 antineutrinos por segundo, lo que lo convierte en la mayor fuente de antineutrinos del planeta.

Dadas las características de los antineutrinos (carga nula y masa ínfima) su sección eficaz de reacción es tan pequeña que atraviesan todos los materiales del reactor sin interactuar: aproximadamente el 5% de la energía liberada en una fisión escapa del reactor en forma de antineutrinos.

Reparto de energía en la fisión del U-235

El Organismo Internacional de Energía Atómica (IAEA, de sus siglas en inglés), teniendo como objetivo asegurar que la tecnología nuclear no se utilice con fines militares, trabaja para desarrollar una herramienta que monitorice el funcionamiento de los reactores y que sea a la vez portátil, segura, barata y controlable remotamente. Los detectores de antineutrinos prometen cumplir con todas estas características.

Aunque existen varías tecnologías de detección de antineutrinos en fase de desarrollo, la que más se está imponiendo es la de los detectores basados en centelleadores líquidos.

En estos detectores, el antineutrino colisiona ocasionalmente con un protón del disolvente, produciendo un neutrón y un positrón. Tras este fenómeno, el neutrón será capturado por los núcleos de Gadolinio presentes en el medio y el positrón sufrirá una aniquilación con un electrón, ambos sucesos paralelos e independientes que producen fotones que serán recogidos por fotodetectores ubicados en torno al disolvente.

El retraso entre ambos fenómenos hace posible distinguirlos a la perfección y caracterizar las partículas, dado que la energía cinética del positrón, previa a su aniquilación con el electrón, corresponde con la energía inicial del antineutrino, antes de su colisión con un protón.

Esquema de un detector de antineutrinos de centelleo líquido

Una vez medido el número de antineutrinos producidos y analizado su espectro de energía (la energía de deposición de los positrones se puede medir y, como ya hemos mencionado, está unívocamente relacionada con la energía inicial de los antineutrinos) se puede calcular la potencia del reactor y determinar la cantidad de uranio y plutonio que contiene. El sistema es tan preciso que puede determinar si una cantidad tan pequeña como 2 kilos de plutonio han sido extraídos del reactor.

 

A modo de ejemplo, podemos exponer el caso del reactor iraní de Arak, una instalación de investigación de 40 MW de potencia, diseñada en inicio para la producción de isótopos para aplicaciones médicas. Ante la presión internacional de los últimos meses, el gobierno iraní ha firmado un contrato con China en el que se aprueba el rediseño y la modernización de este reactor para reducir drásticamente su producción efectiva de plutonio. Este proyecto incluirá la instalación de un detector de antineutrinos.

Aunque todavía es una tecnología poco madura, una demostración internacional de este calibre probaría la viabilidad de estos detectores y, de este modo, la lucha contra la proliferación nuclear daría un gran paso hacia delante.

Daniel Solís Tovar

Miembro de Jóvenes Nucleares