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El reactor nuclear de investigación y el estudio de materiales

Modesto Montoya

Centro de Preparación para la Ciencia y Tecnología

Resumen

El reactor nuclear de investigaciones más difundido tiene un núcleo con una estructura de varios materiales entre los que está el uranio 235. Al absorber un neutrón, el núcleo de uranio se fisiona en dos fragmentos altamente radiactivos, los que emiten neutrones que van a fisionar otros núcleos de uranio, dando lugar a la reacción en cadena en las barras combustible. Además, los fragmentos de fisión son altamente radiactivos. En ese marco, los materiales que constituyen la estructura del reactor están diseñados para soportar la radioactividad. La evolución de los materiales nucleares (micro-defectos o cambios de estructura cristalina) y de cualquier otro material puede ser estudiada con los rayos de neutrones. Así, un reactor nuclear de investigaciones es una máquina construida de aleaciones de metales cuya evolución por el uso puede ser estudiada con los haces de neutrones del propio reactor. Cabe señalar que para el estudio de materiales, las técnicas neutrónicas se usan en aspectos que no pueden ser abordados con otras técnicas.

Introducción

El descubrimiento de la radiactividad por Henri Becquerel (1886) aceleró los trabajos de investigación sobre la materia. James Chadwick descubre el neutrón (1934) y Fréderic e Irène Joliot-Curie, 1935 descubren la radioactividad artificial, al producir un isótopo radiactivo del fósforo, bombardeando una lámina de aluminio con una fuente de neutrones. Otto Hahn y Frederik Strassmann descubren la fisión nuclear del uranio inducida por neutrones (1939) y Frederic Joliot, Von Halban y Kowarski descubren que los fragmentos de esa fisión emiten neutrones (1939), lo que hace posible la llamada reacción en cadena y la construcción de reactores nucleares como fuentes de radiación neutrones, de las que se inventan una serie de aplicaciones.

El átomo neutro está compuesto por Z electrones orbitando alrededor de un núcleo, el que, a su vez, tiene una carga de Ze, donde Z es el número atómico. Para cada número atómico Z, pueden haber varios isótopos, es decir nucleidos con el mismo Z pero con diferente A. Algunos de estos nucleidos pueden ser estables o radiactivos. A los radiactivos se les llama radioisótopos. En ciertos tipos de estudio es conveniente referirse a los isótonos, es decir a nucleidos con el mismo N pero con diferente Z. Los nucleidos con el mismo A son llamados isóbaros.

El núcleo, como objeto de estudio, es observado por sus diversas propiedades. Entre éstas se tiene la masa, la carga, su abundancia relativa, las formas de decaimiento y sus vidas medias, la forma como reaccionan, sus niveles de excitación, etc.

Alrededor del núcleo giran los electrones dando lugar a orbitales cuyas formas y radios promedio dependen de sus valores de energía. Los valores de energía de los electrones en los orbitales son discretos y bien definidos para cada átomo.

Los electrones en el átomo tienen estados cuánticos bien definidos a los que les corresponde un orbital y otras características. Los electrones pueden cambiar de estado.

Cuando pasan espontáneamente de un estado correspondiente a una energía Ei a un estado final de energía menor Ef se emite un fotón, un rayo con energía

E=Ei – Ef.

Para que ello ocurra es necesario que el estado final esté desocupado. Un estado cuántico no puede ser ocupado con dos electrones.

El orden de magnitud de los valores de energía involucrada en transiciones entre niveles energéticos atómicos es de 1 electronvoltio (eV). Un electronvoltio  es la energía que adquiere un electrón al atravesar una diferencia de potencial de un voltio
(1 eV = 1,602×10-19 J).

A la inversa de lo anterior, un electrón puede subir nivel energético e incluso salir del átomo cuando recibe energía del exterior, a través de un fotón o de una partícula. En este caso, el átomo  absorbe la energía

E=Ef – Ei.

El núcleo también tiene un comportamiento cuántico como el de las capas electrónicas. Tiene estados cuánticos a los que corresponden determinados valores de energía. El paso entre niveles significa cambios de energía en forma similar a la que ocurre en los átomos. La gran diferencia se da en los valores de energía. Mientras que en las transiciones entre niveles atómicos se involucra valores de energía del orden de los eV, en las transiciones nucleares entran en juego miles o millones de eV (MeV).

Ley del decaimiento radiactivo

Una cantidad que caracteriza la radiactividad es la actividad A, definida como el número de decaimientos por unidad de tiempo. La actividad decae con el tiempo según la siguiente fórmula

A = A0e-λt,

donde A0 es la actividad inicial, en t = 0.

La unidad en la que se expresa la actividad es el becquerelio (Bq), definida como una desintegración por segundo. La unidad de valor histórico es el curio (Ci)

1 Ci = 3,7×1010 Bq.

El período de semi-desintegración es el tiempo necesario para que la actividad decaiga a la mitad. Por lo tanto,

t½  = 0,693λ.

También se define la vida media τ, como el promedio de vida de los núcleos, que viene a ser

τ = 1/τ.

Los tipos de radiactividad más conocidos son la radiactividad alfa, es decir la emisión de partículas alfa, que son núcleos de 4He, la radiactividad beta, consistente en emisión de electrones y positrones (acompañados de neutrinos, casi indetectables) y la radiactividad gamma, consistente en emisión de  fotones (ondas electromagnéticas), como los rayos X. Para el análisis químico se usa bastante la detección de rayos gamma, característicos de cada nucleido. La energía de estos se encuentra entre 0,1 y 10 MeV.

Los rayos gamma presentan ventajas para su estudio, entre las que se tienen su baja atenuación en el aire y su alta resolución que se obtiene en la medición de su energía.

Los radioisótopos naturales se encuentran en los materiales de la Tierra, en rocas y minerales que se formaron con la Tierra hace 4500 millones de años. Estos radioisótopos están ligados a materiales en el interior de la Tierra, lo que no constituye un riesgo para la salud. Sin embargo, de ellos se emite el radón, que es un gas radiactivo.

Dado que las sustancias que conforman la Tierra han sido formadas en reacciones nucleares, existen algunas que aún son radiactivas. Como los átomos no son uniformemente distribuidos, esta componente no tiene la misma intensidad en todos los lugares de la Tierra.

El reactor nuclear como fuente de neutrones

Un reactor de investigaciones clásico está rodeado por un cilindro de concreto que contiene agua y un blindaje de concreto pesado. Es como una piscina cilíndrica en cuyo fondo se encuentra el núcleo del reactor. Generalmente tienen uranio enriquecido al 20 % de uranio 235, en elementos combustible (El uranio natural está compuesto por 99,3 % de uranio 238 y 0,7 % de uranio 235).

El reactor de investigaciones RP-10 de Huarangal

Cuando un núcleo de uranio 235 absorbe un neutrón, se fisiona en dos fragmentos,  cada uno de los cuales emite alrededor de 2 o 3 neutrones, que a su vez serán absorbidos por núcleos de uranio 235, los que, asimismo, fisionarán en dos fragmentos, y así sucesivamente, produciéndose la llamada reacción en cadena. Para controlar esta reacción en cadena, se usa barras de control absorbentes de neutrones, en base a cadmio, plata  e indio.

Para lograr un mayor número posible de neutrones en el núcleo del reactor, se tiene reflectores de neutrones, elaborados en base a grafito y berilio que rodea el área del núcleo del reactor.

El núcleo del reactor es refrigerado por un flujo de agua. El agua sirve también como moderador de neutrones, es decir que disminuye la velocidad de los neutrones de fisión a la región de velocidades con mayor probabilidad de ser absorbidos por el uranio 235 para ser fisionado.

El tanque del reactor RP-10

En núcleo del reactor RP-10 constituye un laboratorio de materiales.

El reactor se controla desde una sala a la que llegan los diversos parámetros de funcionamiento. Para ello se cuenta con instrumentos de medición y control en diversas posiciones del reactor.

Los instrumentos neutrónicos, que comportan detectores de neutrones, entregan datos sobre la producción neutrónica y la seguridad tanto del personal como de la instalación. Se tiene sistemas seguridad para señalar situaciones de riesgo y responder automáticamente con acciones de seguridad. Estas acciones son: alarma, reducción de potencia, inserción automática de barras o parada del reactor.

Se cuenta también con instrumentos no nucleares de medición, que proporcionan medidas de temperatura, presión, caudales y niveles de agua en diversos lugares de la instalación. Estos parámetros son controlados automáticamente y en caso de anormalidad se pone en funcionamiento sistemas de alarma y seguridad para proteger la instalación.

En el recinto del reactor se tiene una celda caliente  que recibe muestras irradiadas en el núcleo, las que deben ser luego desplazadas al nivel cero para llevarlas a la planta de producción de radioisótopos.

Posiciones de irradiación

El reactor de investigación es usado como fuente de neutrones, los que se generan en el núcleo del reactor e invaden su vecindario. Para la utilización del reactor se cuenta con posiciones de irradiación, donde se colocarán las muestras a ser irradiadas tanto para su estudio como para su transformación.

En el núcleo se tiene posiciones de irradiación sobre los que existen flujos de neutrones.  Del borde del reactor salen tubos radiales hacia la sala experimental que rodea el bloque blindado.

Eventualmente se construye  columnas de grafito, situada entre el núcleo y el blindaje, la que permite termalizar los neutrones es decir disminuir su velocidad hasta un promedio que admite la temperatura de la columna.

Se tiene también sistemas de tubos neumáticos que permiten irradiar muestras en el reflector del reactor o en la columna térmica. Las muestras son enviadas desde el laboratorio de activación neutrónica o desde la planta de producción de producción de radioisótopos, según se requiera análisis químicos o sustancias activadas para usos médicos e industriales, respectivamente.

Las aplicaciones de los flujos neutrónicos en la sala experimental se realizan gracias a los tubos cuya disposición geométrica depende del tipo de flujo neutrónico que se requiere. Los tubos radiales reciben la radiación más rica. Si se requiere una razón mayor entre el flujo de neutrones térmicos y el flujo de neutrones rápidos, se construyen tubos tangenciales con una colimación tal, que la radiación llegue al final del tubo[1]

Los reactores de investigación han sido aplicados en diversos campos de la ciencia y la tecnología[2]. Desde el punto de vista de sus aplicaciones, el reactor de investigación es considerado esencialmente como una fuente de neutrones.

Los usos de los haces de neutrones

Los neutrones se comportan como partículas o como ondas pero también como dipolos magnéticos microscópicos. Estas propiedades de los neutrones son las que permiten obtener información que no es posible con otro tipo de radiación.

El neutrón es eléctricamente neutro, no destructivo y puede penetrar muy profundamente en la materia. Esto último se debe a que no siente el campo eléctrico del núcleo y de los electrones, por lo que pasa sin atraído ni repelido. Los rayos neutrónicos sirven entonces como sonda microscópicas para estudiar muestras bajo condiciones extremas de presión, temperatura, campo magnético y en ambiente donde se estén produciendo reacciones químicas.

Dado que el neutrón es un dipolo magnético microscópico, su movimiento es afectado por campos magnéticos de los materiales. Ello permite obtener información del comportamiento magnético microscópico de los materiales, incluso a nivel atómico.

Los rayos neutrónicos que salen de los reactor de investigación tienen una longitud de onda entre 0.1 Å y 1000 Å, lo que permite estudiar estructuras atómicas y moleculares.

Las energías de los neutrones de los reactores de investigación son del orden del mili electronvoltio (meV), del mismo orden de magnitud que las ondas coherentes en los cristales y los modos de vibración de las moléculas. Ello permite estudiar intercambios de energía entre 1 meV y 1 eV, entre el neutrón y la muestra en la que incide.

La probabilidad de interacción del neutrón con los núcleos varía mucho entre uno y otro núcleo vecino en masa. Esto nos permite observar la presencia de materiales livianos en matrices de materiales pesados. Además puede distinguirse los isótopos de un elemento. Por ejemplo el hidrógeno del deuterio. El neutrón es bastante sensible al hidrógeno, por lo que puede estudiarse los materiales de almacenamiento de hidrógeno.

Todo ello hace que los haces de neutrones sean usados en diversos campos, entre los que se tiene:

  • Física del estado sólido, ciencia de materiales y química.
  • Estudio de estructuras de materiales: cerámicas, cerámicos superconductores a altas temperaturas, materiales magnéticos usados en aplicaciones electrónica y aplicaciones eléctricas.
  • Almacenamiento de hidrógeno en metales, en el marco del desarrollo de fuentes renovables de energía.
  • Estudio de la elasticidad en plásticos.
  • Estudio de coloides.
  • Materiales biológicos, los que son ricos en hidrógeno.
  • Materiales biológicos, proteínas, virus, fotosíntesis en plantas.
  • Debido a su carácter no destructivo, sirve para estudiar estrés residual en materiales, corrosión e inhomogeneidades y trazas en materiales.

Técnicas neutrónicas

Para los estudios antes mencionados se cuenta con las técnicas de análisis por activación neutrónica, difracción de neutrones, dispersión en ángulos pequeños y dispersión inelástica.

El análisis por activación neutrónica consiste en la irradiación con neutrones de la muestra para convertirla en radiactiva, detectar su radiactividad y por su espectro energético realizar un análisis cualitativo y cuantitativo.

La difracción de neutrones permite estudiar la estructura cristalina de materiales de diverso grado de complejidad.

La dispersión en ángulos pequeños  permite estudiar la forma en la que las partículas están dispersas en un sistema. Con esta técnica se estudia granos, burbujas.

Con la dispersión inelástica de neutrones se estudia las vibraciones, rotaciones y movimiento de los átomos en la muestra.

Análisis por activación neutrónica

El análisis por activación neutrónica (AAN) es una técnica bien establecida a nivel mundial. Los EEUU usa el AAN para propósitos de estandarización en el Geological Service. Para ello se usan los neutrones térmicos de los reactores nucleares, debido a su alta sección eficaz en muchos elementos.

Sin embargo, los neutrones de 14 MeV también son usados, por la facilidad de su producción con aceleradores pequeños, y porque detectan N, O, Si, P, Tl y Pb, lo que es difícil o imposible hacerlo con neutrones térmicos. V.P. Guinn[3] ha dado límites de detección para 71 elementos con flujos de 1013cm3/s durante una hora y un conteo con un detector de NaI(Tl) (un detector de Ge(Li) tiene una sensibilidad similar pero una mejor resolución). En la tabla se presentan los valores más altos posibles obtenidos con el AAN. Las sensibilidades alcanzadas dependerán de la matriz:

Sensibilidad (g) Elemento

10-12-10-11:        Mn, In, Eu

10-11-10-9:         Rh, Ag, Ir, Au

10-9-10-8:          Na, Al, Co, Cu, W, U

10-8-10-7:          Cl, Ti, Zn, Pt, Hg, Th

10-7-10-6:          F, Mg, Cr, Ni, Cd, Pb

10-6-10-5:          Ca, Zr

10-5-10-4:          Si, S, Fe

Una variante del análisis por activación neutrónica es el análisis de los rayos gamma inmediatos de captura, en la que irradiación y conteo se hacen simultáneamente. En el caso de un reactor, el dispositivo experimental se sitúa al final de un tubo de irradiación neutrónica. Los detectores colocados en torno a la muestra serán de alta eficiencia. Para un flujo de 2×108n/cm2s sobre una muestra y un detector Ge(Li) se ha estimado[4] un rango de detección que va desde 10-8-10-7 g, para B, Cd, Sm y Gd, pasando por 10-5-10-7 g para un grupo en el que se incluye Ni, Cu, Ag hasta 10-3-10-1g para un grupo que incluye C, B, Sn, Pb.

Las desventajas están en que algunas muestras necesitan mucho tiempo de decaimiento,  antes de medir la radiactividad inducida, como es el caso del cobalto que es de unas seis semanas. Otra desventaja es el costo, mucho mayor que las técnicas convencionales.

Neutrografía

Los haces de neutrones que salen por lo tubos desde el centro del reactor hacia la sala experimental tienen numerosas aplicaciones. La más difundida es la neutrografía, que es una radiografía de un objeto usando los rayos neutrónicos. Debido a que los neutrones son frenados por los elementos livianos y no tanto por los pesados, la neutrografía permite examinar detalles correspondientes a partes de plástico u otros materiales ligeros, dentro de cuerpos metálicos.  Así, por ejemplo, permite ver irregularidades en explosivos y elementos propulsores, observación de motores de aviación, resinas en ruedas de vehículos, circuitos impresos, mísiles.  Este tipo de examen sería muy difícil o imposible de hacer mediante la radiografía común, con rayos X, ya que estos van a ser frenados por las partes metálicas externas. Con neutrografía se analiza y detecta fisuras y fallas  en estructuras metálicas, corrosión de aluminio, prueba de blindajes a base de plomo.

Difracción de neutrones

En un cristal existen varios planos o conjuntos de planos paralelos formados por átomos de cristal. La distancia entre los planos es designada por d. Si un haz de neutrones con un espectro continuo incide sobre el cristal, formando un ángulo θi con el conjunto i de planos paralelos, se obtendrá un haz reflejado con una longitud de onda asociada  λi que cumple la relación de Bragg:

2dsen(θi) = nλi

donde n es un número entero. De este modo se obtiene haces de neutrones con valores de λ dentro de intervalos angostos que permiten considerarlos monocromáticos.

Si el haz de neutrones tiene una composición monocromática e incide sobre un cristal, formando un ángulo θ con los planos de ese cristal, se producirá la desviación de este haz solamente si el ángulo θ obedece la relación de Bragg. A partir de la distribución angular de los neutrones dispersados puede identificarse los ángulos  θi que corresponderán a las distancias di entre los planos del cristal.

La difracción de neutrones sirve para estudiar la estructura cristalina de los metales y aleaciones, de la que dependen las propiedades mecánicas y eléctricas.

Conclusiones

El reactor nuclear de investigaciones es una máquina compuesta de aleaciones especiales, cuyas características son evaluadas con rigurosidad en el tiempo. Al mismo tiempo, el reactor nuclear de investigaciones cuenta con posiciones de irradiación neutrónica o haces de neutrones que sirven para hacer análisis elemental cualitativo y cuantitativo de materiales. También se cuenta con sistemas de neutrografía que permite estudiar fallas y cavidades internas a piezas metálicas. Además, con difracción de neutrones se puede analizar estructuras cristalinas relacionadas con las propiedades  para las que fueron diseñadas dichas las aleaciones correspondientes. Por otro lado, los controles automatizados y las mediciones de múltiples parámetros del reactor nuclear lo convierten en un centro de investigaciones interdisciplinarias en las que la metalurgia y la ciencia de materiales tienen un importante rol que jugar.

Referencias

[1] H. Maier-Leibnitz, Proc. of a Symp. on Pile Neutron Reactor in Phys., IAEA, Viena, 1966

[2] Proc. of a IAEA Symp. on Research Reactor and Utilization, Viena, 1970

[3] V. P. Guinn, J. Radianal. Chem. 72

[4] D. L. Anderson et al., Neutron-Capture Gamma- Ray Spectroscopy and Related Topica, T. von Egidy et al. (eds.), (Bristol: Inst. of Phys.) 655