El neutrón es uno de los componentes fundamentales del núcleo atómico, siendo una de sus propiedades fundamentales su carga eléctrica: cero. Esta peculiaridad hace del neutrón una partícula muy difícil de detectar. Asimismo, cabe destacar que está presente en dos de los procesos en los que el núcleo libera grandes cantidades de energía, esto es, en las reacciones nucleares de fisión y fusión.

Pensando en estudiar emisiones de neutrones en reacciones de fusión, el Departamento de Ciencias Nucleares montó un experimento con el que pretende medir el espectro de energía de los neutrones producidos en un plasma denso y caliente de corta duración, generado por un dispositivo plasma focus.

El desarrollo de esta iniciativa, que se ha extendido por más de 20 días desde el 13 de enero, fue ideada y organizada por los Dres. Francisco Molina y Cristian Pavez (CCHEN) y por el Dr. Ariel Tarifeño-Saldivia, de la Universidad Politécnica de Cataluña, España.

La iniciativa se enmarca en los objetivos de tres proyectos: uno de FONDECYT [1], a cargo del Dr. Francisco Molina; un proyecto Anillo de CONICYT [2], a cargo de los Dres. Leopoldo Soto y Cristián Pavez, también de la CCHEN; y un tercer proyecto (externo) de la Universidad Politécnica de Cataluña, dirigido por el Dr. Ariel Tarifeño-Saldivia [3].

Para esta campaña experimental se buscó un lugar que ofreciera bajas condiciones de scattering (dispersión) de neutrones, ideal para minimizar la detección de neutrones que rebotan en la sala y optimizar el conteo de neutrones directos de la fuente. En la sala multiusos del Centro de Estudios Nucleares La Reina se encontraron estas condiciones, por lo cual se construyó allí una estructura transitoria de perfiles de aluminio, ya que su probabilidad de interacción con los neutrones de la descarga es menor que la de otros materiales (hierro, plástico o madera).

Así, Molina comentó que “coordinar y concretar una campaña experimental como esta, en tan corto tiempo, requiere experiencia y una importante preparación. En esta colaboración, la forma de trabajo se asemeja más a la de los experimentos realizados en grandes instalaciones de física nuclear donde los tiempos son acotados, obligando al equipo a abocarse de lleno a las tareas requeridas”.

Molina agregó que en el Laboratorio de Investigación Nuclear los estudiantes de postgrado han sido fundamentales para el desarrollo de esta campaña inédita, debido a su formación: “ellos ya han vivido la experiencia de participar en este tipo de experimentos en el extranjero (RIKEN de Japón y CERN de Francia) y cuentan con la formación adecuada en electrónica nuclear, simulaciones Monte Carlo y análisis de datos”.

La experiencia de medir neutrones provenientes de plasmas pulsados en estas condiciones es única en el mundo, no obstante, Molina argumentó que “por parte del Laboratorio de Plasmas y Fusión Nuclear, el cabal conocimiento de sus dispositivos plasma focus y el manejo de la detección de neutrones pulsados ha permitido adelantar, preparar y sobreponerse a situaciones que podrían haber arriesgado el correcto desarrollo de la campaña”.

Cada parte ofrece un aporte concreto. En el caso del proyecto de Francisco Molina, el objetivo del experimento es obtener el espectro de energías en la emisión “disparo a disparo”, observando la emisión de neutrones desde distintos ángulos. Esto, toda vez que simular, diseñar, construir y testear un espectrómetro de neutrones, capaz de medir tanto fuentes continuas como pulsadas en amplio rango, permitirá a la Institución contar con una herramienta única de caracterización de campos neutrónicos.

Por su parte, el proyecto ANILLO, liderado por el Dr. Leopoldo Soto, busca realizar una mejor caracterización de la emisión de neutrones en los equipos de plasmas pulsados, diseñados y construidos en la CCHEN. En una de las más relevantes investigaciones que ha liderado los últimos años, estudia el efecto de las radiaciones pulsadas (rayos X y neutrones) en materia viva, particularmente en células cancerosas. De este modo, el experimento arrojará también aquí frutos consistentes.

Finalmente, el proyecto del doctor Tarifeño-Saldivia busca desarrollar un dosímetro ambiental de mejor portabilidad (menor peso y tamaño), mejor sensibilidad energética y con la capacidad de responder a emisiones de neutrones provenientes de una estructura temporal compleja (continua, pulsada y cuasi-continua).

El Dr. Cristian Pavez contó que “para comprender las características del plasma es fundamental interrogarlo y observarlo con técnicas experimentales precisas. Por ejemplo, una buena medición del espectro de los neutrones emitidos por los plasmas densos producidos en nuestros equipos plasma focus podría entregar información de los procesos que gatillan una reacción de fusión nuclear”.

El investigador añadió que “a la luz de lo observado en este experimento, logramos reconocer tres grandes hitos, que son de interés común a los objetivos científicos definidos por nuestro equipo: i) exploración de nuevos regímenes de operación de los dispositivos plasma focus para aumentar la eficiencia en la producción de neutrones. En esta campaña se incrementó en un orden de magnitud la producción de neutrones ii) medición del espectro de neutrones de dispositivos de fusión de baja energía en ambiente de scattering de neutrones controlado iii) medición de dosis de pulsos ultra corto de neutrones, en ambiente de alto ruido electromagnético”.

Como parte del equipo que lideró este experimento, el Dr. Leopoldo Soto señaló que “esta interacción es un ejemplo más de las capacidades de colaboración multidisciplinaria y transdisciplinaria que hemos ido desarrollando en la CCHEN, a nivel nacional e internacional. No solo hemos puesto ideas en el mundo con nuestros experimentos de plasmas densos a pequeña escala, también hemos abierto colaboraciones y temas de investigación en común”.

Asimismo, agregó que “para lograr nuevos avances en el conocimiento y en la búsqueda de soluciones a los problemas complejos que hoy nos aquejan, debemos abrir las fronteras disciplinarias a otros saberes y experiencias, y trabajar en forma colaborativa”.

Y si de colaboración se trata, Ariel Tarifeño-Saldivia, quien también colaboró activamente en esta experiencia, señaló que “mi aporte apunta a la caracterización de la dosimetría ambiental de neutrones pulsados producidos por los plasmas de fusión, siendo esta la primera caracterización sistemática en la dosimetría ambiental en instalaciones de este tipo. Además de realizar un mapeo dosimétrico de la instalación, usando los dosímetros ambientales desarrollados por la Universidad Politécnica de Cataluña, se ejecuta un ejercicio de intercomparación con un dosímetro comercial de la CCHEN en campos pulsados y continuos de radiación neutrónica”.

“Desde la perspectiva científica, participar en esta campaña de medidas es una oportunidad única, ya que representa la unión de dos comunidades tradicionalmente separadas por su enfoque temático, esto es la investigación en física nuclear y en física de plasmas”, finalizó.

Equipo de trabajo

Esta campaña experimental se realizó gracias al aporte de investigadores y profesionales de la CCHEN y de la Universidad Técnica Federico Santa María, estudiantes de la Universidad de Chile, además de un investigador invitado del Instituto de Técnicas Energéticas de la Universidad de Cataluña, España. Todo ello bajo la coordinación de Francisco Molina y Cristian Pavez, del Departamento de Ciencias Nucleares.

Al finalizar, Molina expresó que “todos los involucrados, estudiantes, administrativos, técnicos e investigadores han aportado al buen desarrollo de esta actividad”.

Laboratorio de Investigaciones Nucleares DCN-CCHEN:

• Investigadores: Francisco Molina, Marcelo Zambra.

• Estudiantes Universidad de Chile

  • Postgrado: Pablo Aguilera y Jaime Romero (tesistas Doctorado)Andrés Ruiz, Franco López y Byron Parra (tesistas de Magíster)

  • Pregrado: Ariel Tello (estudiante de pregrado)

Laboratorio de Física de Plasmas y Fusión Nuclear DCN-CCHEN

• Investigadores: Gonzalo Avaria, José Moreno, Cristian Pavez y Leopoldo Soto.

• Profesional mecánico: Marcelo Vásquez.

Universidad Técnica Federico Santa María:

• Ingeniero (M.Sc.) Luis Orellana.

Cabe mencionar que, en una campaña experimental previa (marzo de 2019), tras la cual se obtuvieron resultados preliminares que dieron paso al diseño de estos experimentos, se contó con la colaboración de Biswajit Bora, Sergio Davis y Jalaj Jain, todos del Departamento de Ciencias Nucleares de la CCHEN. En esta primera campaña también se recibió apoyo del profesor de la Universidad de Chile, Dr. Hugo Arellano.

Proyectos

[1] “Estudios experimentales en campos neutrónicos usando un sistema espectroscópico multipropósito de amplio rango energético basado en el método de las esferas de Bonner” (FONDECYT 1171467).

[2] “Física de Plasmas y Potencia Pulsada para Energía y Vida, Efectos y Aplicaciones a Materiales y Materia Viva” (CONICYT Anillo ACT-172101).

[3] “Dosímetros Innovativos para Campos Neutrónicos Continuos y Pulsados, LINrem”, Universidad Politécnica de Cataluña.