Double-differential neutron-induced cross sections on Fe-nat at GANIL-NFS

Dentro de los huesos de acero de un reactor nuclear, se libra una batalla silenciosa pero implacable. Cuando los neutrones de alta velocidad chocan contra el metal, no solo rebotan; destrozan los núcleos atómicos, creando diminutos fragmentos de gas hidrógeno y helio. A lo largo de años de operación, estos gases se acumulan dentro del metal sólido, haciendo que este se hinche y se vuelva quebradizo, de forma muy similar a una esponja que ha absorbido demasiada agua. Este daño amenaza la integridad estructural de los mismísimos recipientes diseñados para contener la inmensa energía de la fusión o la fisión. Para predecir cuánto tiempo puede operar un reactor de forma segura, los científicos necesitan saber exactamente cómo interactúan estos neutrones con el hierro, el ingrediente principal del acero de los reactores. Necesitan medir no solo cuántas partículas son desprendidas, sino exactamente cuánta energía transportan y en qué dirección vuelan.

Durante décadas, los científicos han luchado por obtener estas mediciones para los neutrones de alta energía que se encuentran en los reactores modernos. Si bien existen datos para energías más bajas, la imagen se vuelve borrosa e incierta por encima de los 14 millones de electronvoltios, un rango donde la física se vuelve compleja y difícil de modelar. Sin datos precisos en esta zona de alta energía, las simulaciones por computadora utilizadas para diseñar reactores seguros se ven obligadas a suponer, dejando a los ingenieros con menos certeza sobre la vida útil de sus estructuras. Un equipo de investigadores se propuso recientemente llenar este vacío, llevando a cabo un nuevo experimento para mapear el comportamiento de los neutrones al golpear hierro natural con un detalle sin precedentes.

El experimento tuvo lugar en 2023 en la instalación Neutrons For Science en Caen, Francia, un sitio dedicado a la producción de haces de neutrones para la investigación. El equipo utilizó un instrumento especializado llamado Medley, un dispositivo construido originalmente en la Universidad de Uppsala, en Suecia, y diseñado específicamente para captar las partículas ligeras y cargadas que salen disparadas cuando un núcleo se rompe. La configuración es esencialmente una gran cámara de vacío vacía con un objetivo de hierro natural colocado en el centro. Rodeando este objetivo hay ocho conjuntos de detectores, dispuestos como los radios de una rueda, cada uno capaz de rastrear partículas que salen disparadas en diferentes ángulos. El propio objetivo de hierro era una lámina delgada, lo suficientemente gruesa como para interactuar con el haz, pero lo suficientemente fina como para permitir que las partículas resultantes escapen sin perder demasiada energía.

Para crear las condiciones necesarias para el estudio, la instalación disparó un haz de neutrones contra el objetivo de hierro. Estos neutrones no eran todos de la misma velocidad; en su lugar, formaban un haz "blanco", un espectro amplio que contenía energías que iban desde niveles bajos hasta los 44 millones de electronvoltios. A medida que los neutrones golpeaban el hierro, desencadenaban reacciones nucleares que expulsaban protones, deuterones y otras partículas ligeras. Los detectores, dispuestos en telescopios, capturaron estas partículas en fuga. Al medir cuánta energía depositaba cada partícula en una serie de capas de silicio y un cristal centellador final, los investigadores pudieron identificar exactamente qué tipo de partícula era y con qué rapidez se movía.

Una parte crítica del proceso involucró la cronometría. Los investigadores midieron el tiempo que tardaba una partícula en viajar desde el objetivo hasta el detector, comparándolo con el momento preciso en que se generaba el haz de neutrones. Esta medición de tiempo de vuelo les permitió calcular la energía de los neutrones entrantes para cada evento individual. Debido a que las partículas pierden una pequeña cantidad de energía al pasar a través del propio objetivo de hierro, el equipo tuvo que aplicar una corrección matemática para reconstruir la energía real de las partículas tal como nacieron por primera vez. Utilizaron simulaciones por computadora para modelar cómo las partículas perderían energía dentro del metal y luego emplearon un método estadístico para realizar ingeniería inversa de los datos originales, eliminando efectivamente la distorsión causada por el material del objetivo.

El resultado de este cuidadoso trabajo es un nuevo conjunto de mediciones para la sección eficaz de doble diferencial, un término que simplemente describe la probabilidad de que una partícula sea emitida con una energía específica en un ángulo determinado. El equipo logró medir con éxito estos valores para los protones emitidos del hierro cuando son golpeados por neutrones con una energía promedio de 14,5 millones de electronvoltios. Mapearon cómo salían disparados los protones en ángulos que van desde los 20 hasta los 160 grados, creando una imagen detallada del patrón de emisión. Los datos mostraron que la configuración experimental funcionó de manera confiable, capturando las partículas con alta precisión y permitiendo al equipo corregir las pérdidas de energía dentro del objetivo.

Si bien el análisis completo de todos los datos recolectados durante la campaña aún está en curso, los resultados preliminares para los neutrones de 14,5 millones de electronvoltios ya son prometedores. Los investigadores encontraron que sus mediciones podían ajustarse suavemente con curvas matemáticas estándar, lo que sugiere que los datos son consistentes y confiables. Este éxito valida el uso de la configuración Medley en esta instalación y confirma que las complejas correcciones por pérdida de energía e identificación de partículas se manejaron correctamente. El equipo trabaja ahora para extender estas mediciones para cubrir todo el rango de energía hasta los 44 millones de electronvoltios y para analizar otros tipos de partículas, como los núcleos de helio.

Este trabajo proporciona una pieza crucial del rompecabezas para los ingenieros nucleares. Al proporcionar datos duros sobre cómo se comporta el hierro bajo el bombardeo de alta energía, el estudio ofrece una base más firme para los modelos por computadora utilizados para diseñar futuros reactores de fusión y para evaluar la seguridad de los existentes. La capacidad de predecir cómo se degradarán los materiales estructurales con el tiempo es esencial para la transición hacia fuentes de energía más limpias, y este experimento ha dado un paso significativo hacia hacer que esas predicciones sean más precisas. Los investigadores han demostrado que es posible medir estas interacciones difíciles con alta precisión, abriendo la puerta a pruebas más rigurosas de los materiales que algún día contendrán el poder de las estrellas.