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Neutrinos para detectar programas nucleares

Un nuevo proyecto planea aprovechar la física de partículas para localizar proyectos militares ocultos.

La instalación norcoreana de Yongbyon, aquí en una imagen por satélite de 2008, ha levantado sospechas por la posible producción de plutonio con fines militares. El inserto muestra la construcción de un reactor en 2015. [DIGITALGLOBE, GETTY IMAGES]

Estamos en 2030. Tras años de forcejeos, los líderes de Corea del Norte aceptan dejar de fabricar plutonio para uso militar y aprueban destruir sus reservas. Los responsables coreanos invitan a los inspectores a observar cómo cargan ese combustible en los reactores y lo inutilizan. En secreto, sin embargo, desvían algo de plutonio y llenan el reactor con uranio para uso civil. El uranio emite radiación en la que hay neutrinos y antineutrinos, partículas subatómicas inofensivas que atraviesan con suma facilidad el plomo y la piedra. Las autoridades internacionales lo sospechan e instalan cerca del reactor un artilugio del tamaño de un todoterreno. En unos meses, confirman el engaño gracias al análisis de los neutrinos procedentes de la central.

Historias así podrían hacerse realidad en los próximos años gracias a varias técnicas desarrolladas en física de partículas. Una nueva propuesta, detallada hace poco en el repositorio de artículos en línea arXiv.org, describe cómo construir un detector de neutrinos que, en pocos meses, lograría determinar si un reactor está utilizando o no combustible apto para uso militar. Cada vez se hace más urgente contar con métodos de detección similares: Corea del Norte ha mejorado sus misiles e Irán ha desarrollado la capacidad para poner en marcha su propio programa de armas nucleares. En marzo, el secretario de Estado de EE.UU., Rex Tillerson, pidió un «enfoque diferente» para sofocar las aspiraciones nucleares norcoreanas, con el argumento de que la presión diplomática había fracasado.

Los neutrinos constituyen un producto secundario de las reacciones de fisión que tienen lugar en un reactor nuclear. En ellas, los núcleos atómicos radiactivos, como el de plutonio, se dividen en elementos más ligeros. Un tipo de radiactividad, la desintegración beta, libera un positrón y un neutrino, o bien un electrón y un antineutrino. Esos neutrinos delatan lo que ocurre en el reactor, ya que solo los elementos radiactivos del combustible nuclear los emiten en grandes cantidades y a un ritmo constante.

La vigilancia nuclear basada en neutrinos ha impulsado el proyecto estadounidense WATCHMAN («El Vigilante», acrónimo en inglés de Monitor de Neutrinos por Efecto Cherenkov en el Agua). Sus detectores serían tanques llenos de miles de toneladas de agua dopada con gadolinio y, en teoría al menos, podrían descubrir los neutrinos emitidos por un reactor ilícito situado hasta a mil kilómetros de distancia. Es difícil pedir diplomáticamente a una nación recelosa que permita que los inspectores construyan enormes tanques de agua cerca de instalaciones protegidas, por lo que la posibilidad de una detección a distancia es más que bienvenida.

Cuando un antineutrino incide sobre un protón (un núcleo de hidrógeno en una molécula de agua del tanque), este se transforma en un neutrón y un positrón. El positrón sale despedido a tal velocidad que emite radiación de Cherenkov, el equivalente lumínico de un estampido sónico. Esta se genera cuando una partícula avanza en un medio a una velocidad mayor que la de la luz en dicho medio. Nada puede superar la velocidad de la luz en el vacío, pero, en un material (como el agua, el vidrio o el aire), la luz avanza más despacio, por lo que su velocidad sí puede rebasarse. De esta manera, un positrón emitido tras la colisión entre un protón y un antineutrino generaría un destello de luz de Cherenkov en uno de los tanques de WATCHMAN. Mientras, el gadolinio absorbería el neutrón, lo que produciría un segundo destello. Esta doble señal característica revela la presencia de un reactor nuclear y la dirección en la que se encuentra.

WATCHMAN podrá indicar si un reactor está activo y dónde se halla, pero no la mezcla exacta de sus combustibles, como plutonio y uranio muy enriquecidos. Patrick Jaffke, investigador posdoctoral del Laboratorio Nacional de Los Álamos y coautor de la nueva propuesta, sugiere construir una versión de poco tamaño que, colocada cerca de un reactor, podría determinar de qué tipo de combustible se trata a partir del análisis de los neutrinos. El diseño de Jaffke ha sido pensado para medir el espectro y la forma del destello de Cherenkov inicial y, por tanto, la energía del positrón procedente de la colisión del antineutrino. Al analizar la distribución de energía de los positrones, un inspector podría calcular qué parte de la emisión total de antineutrinos procede de un tipo dado de combustible en el núcleo del reactor.

En vez de agua, Jaffke sugiere usar plástico o algún otro hidrocarburo con una gran densidad de protones. Ello aumentaría el número de colisiones y permitiría reducir en órdenes de magnitud el tamaño del dispositivo. Un detector de este tipo podría situarse a unas docenas de metros del reactor.

Aunque más pequeño, semejante detector seguiría adoleciendo del problema del ruido de fondo. Los rayos cósmicos, por ejemplo, crean neutrones similares a los generados en las reacciones con neutrinos. Instalar el detector entre cinco y diez metros bajo el suelo y razonablemente cerca del reactor resolvería el problema, explica Steven Dazeley, físico del Laboratorio Nacional Lawrence en Livermore que, en 2016, dirigió un análisis del ruido de fondo al que tendrá que enfrentarse WATCHMAN. Un blindaje adicional en torno al dispositivo también resultaría útil.

Hay otras ideas para diseñar aparatos que necesitarían poco o ningún blindaje. Además, la ayuda podría llegar de varios grupos que, en distintas partes del mundo, trabajan en técnicas de detección de neutrinos para investigar en física.

«Hace tiempo que se busca un uso práctico de los antineutrinos», apunta Jaffke. Según el investigador, esa sería una de las mejores cosas de emplear estas partículas para encontrar combustible nuclear militar. Esperemos que no hallen nada.

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