Mesuren per primera vegada la desintegració d'un dels principals productes de la fissió nuclear

30/05/2019

Investigadors de l'Institut de Física Corpuscular publiquen en Physical Review Letters l'estudi de la desintegració beta d'isòtops del niobi, un dels elements més desconeguts en el funcionament d'un reactor nuclear

La fissió nuclear, reacció que divideix el nucli atòmic i s'aprofita en les centrals nuclears per a produir energia, produeix també altres elements radioactius. Per a buscar l'estabilitat, aquests elements realitzen l'anomenada desintegració beta, procés fonamental per a entendre el que ocorre a l'interior d'un reactor nuclear, tot i que trobar-se apagat. Ara, investigadors de l'Institut de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València) publiquen en Physical Review Letters el primer estudi complet sobre la desintegració beta de dos isòtops del niobi, un element important per a conéixer el funcionament d'un reactor nuclear i un dels més difícils de mesurar. Per a això han utilitzat un detector i un mètode d'anàlisi ideats a València.

L'estudi forma part de la tesi doctoral de Víctor Guadilla, dirigida pels investigadors de l’IFIC Alejandro Algora i José Luis Taín, del Grup de Espectroscòpia Gamma i de Neutrons. Van utilitzar el detector DTAS, un instrument dissenyat per aquest grup d'investigació format per 18 cristalls de iodur de sodi que funciona com un calorímetre, registrant l'espectre gamma emés durant la desintegració beta.

Una de les principals dificultats de l'estudi va ser aconseguir un feix de partícules dels isòtops d'interés del niobi, un metall refractari extremadament resistent. Per a això, els investigadors valencians van utilitzar la instal·lació IGISOL IV, en el laboratori finlandés de Jyväskylä, equipada amb diversos ‘paranys’ d'ions que els van permetre crear un feix de niobi ‘pur’.

Mitjançant la tècnica coneguda com Espectroscòpia Gamma d'Absorció Total (TAGS, per les seues sigles en anglés), els científics d l’IFIC van obtindre per primera vegada l'espectre de desintegració beta de diversos isòtops del niobi (100Nb i 102Nb), un dels elements més importants en les desintegracions beta associades al procés de fissió nuclear. A més, és un dels nuclis més desconeguts precisament per les dificultats per al seu estudi.

“Per cada procés de fissió es produeixen 6 desintegracions beta”, explica Alejandro Algora, un dels autors de l'estudi. “Conéixer l'espectre de la desintegració beta del niobi és important per a conéixer millor el seu paper en processos com la calor residual generada per les desintegracions beta, que afecta els materials del reactor nuclear una vegada ‘apagat’, i la producció d’antineutrins en les centrals nuclears”.

Aquest últim aspecte té una important repercussió en l'estudi del neutrí, una de les partícules elementals més abundants de l'Univers que amb prou feines interactua amb la resta de la matèria. En cada desintegració beta es produeix un antineutrí, la seua rèplica d'antimatèria, per la qual cosa els reactors nuclears són una font abundant d'aquestes partícules. Així, una de les principals formes d'estudiar-les és col·locar detectors prop de centrals nuclears.

“En aquest tipus d'estudis és fonamental conéixer amb precisió la quantitat d’antineutrins que esperes detectar”, apunta Algora. Aqueixa quantitat es pot obtindre de dues formes: extrapolant mesures de l'espectre beta total emés pels combustibles més rellevants (urani, plutoni...) després de la fissió, o mitjançant la suma dels espectres de la desintegració beta de cada producte de fissió. En obtindre l'espectre de la desintegració beta del niobi per primera vegada, els investigadors d l’IFIC aporten valuosa informació per a millorar el coneixement de la producció d’antineutrins per aquest últim mètode.

“Amb les nostres dades s'aconsegueix reduir de manera notable la discrepància entre els càlculs de l'espectre d’antineutrins elaborat pel mètode de suma i el flux de neutrins esperat que observen diversos experiments”, assegura Algora. Es refereix als resultats reportats obtinguts per detectors situats prop de centrals nuclears a França (Double Chooz), la Xina (Daya Bay) i Corea del Sud (REN), que van capturar menys antineutrins dels esperats. Alguns expliquen aquest dèficit mitjançant l'existència d'un nou tipus de neutrí encara no descobert que no interacciona amb la matèria, el neutrí ‘estèril’. Els nous resultats del grup de València afebleixen aquesta hipòtesi.

Més informació:

“Large Impact of the Decay of Niobium Isomers on the Reactor ¯νe Summation Calculations”, V. Guadilla et al., Phys. Rev. Lett. 122, 042502

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.042502

http://webgamma.ific.uv.es/gamma/es/