Miden por primera vez la desintegración de uno de los principales productos de la fisión nuclear

La fisión nuclear, reacción que divide el núcleo atómico y se aprovecha en las centrales nucleares para producir energía, produce también otros elementos radiactivos. Para buscar la estabilidad, estos elementos realizan la llamada desintegración beta, proceso fundamental para entender lo que ocurre en el interior de un reactor nuclear, aún cuando está apagado.

Ahora, investigadores del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universidad de Valencia) publican en Physical Review Letters el primer estudio completo sobre la desintegración beta de dos isótopos del niobio, un elemento importante para conocer el funcionamiento de un reactor nuclear y uno de los más difíciles de medir. Para ello han utilizado un detector y un método de análisis ideados en Valencia.

El estudio forma parte de la tesis doctoral de Víctor Guadilla, dirigida por los investigadores del IFIC Alejandro Algora y José Luis Taín, del Grupo de Espectroscopía Gamma y de Neutrones. Utilizaron el detector DTAS, un instrumento diseñado por este grupo de investigación formado por 18 cristales de yoduro de sodio que funciona como un calorímetro, registrando el espectro gamma emitido durante la desintegración beta.
 
Una de las principales dificultades del estudio fue conseguir un haz de partículas de los isótopos de interés del niobio, un metal refractario extremadamente resistente. Para ello, los investigadores valencianos utilizaron la instalación IGISOL IV, en el laboratorio finlandés de Jyväskylä, equipada con varias ‘trampas’ de iones que les permitieron crear un haz de niobio ‘puro’.
 
Mediante la técnica conocida como Espectroscopía Gamma de Absorción Total (TAGS, por sus siglas en inglés), los científicos del IFIC obtuvieron por primera vez el espectro de desintegración beta de varios isótopos del niobio (¹⁰⁰Nb y ¹⁰²Nb), uno de los elementos más importantes en las desintegraciones beta asociadas al proceso de fisión nuclear. Además, es uno de los núcleos más desconocidos precisamente por las dificultades para su estudio.

Media docena de desintegraciones beta

“Por cada proceso de fisión se producen 6 desintegraciones beta”, explica Alejandro Algora, uno de los autores del estudio. “Conocer el espectro de la desintegración beta del niobio es importante para conocer mejor su papel en procesos como el calor residual generado por las desintegraciones beta, que afecta a los materiales del reactor nuclear una vez ‘apagado’, y la producción de antineutrinos en las centrales nucleares”.

Este último aspecto tiene una importante repercusión en el estudio del neutrino, una de las partículas elementales más abundantes del Universo que apenas interactúa con el resto de la materia. En cada desintegración beta se produce un antineutrino, su réplica de antimateria, por lo que los reactores nucleares son una fuente abundante de estas partículas. Así, una de las principales formas de estudiarlas es colocar detectores cerca de centrales nucleares.
 
“En este tipo de estudios es fundamental conocer con precisión la cantidad de antineutrinos que esperas detectar”, apunta Algora. Esa cantidad se puede obtener de dos formas: extrapolando medidas del espectro beta total emitido por los combustibles más relevantes (uranio, plutonio...) después de la fisión, o mediante la suma de los espectros de la desintegración beta de cada producto de fisión. Al obtener el espectro de la desintegración beta del niobio por primera vez, los investigadores del IFIC aportan valiosa información para mejorar el conocimiento de la producción de antineutrinos por este último método.
 
“Con nuestros datos se consigue reducir de manera notable la discrepancia entre los cálculos del espectro de antineutrinos elaborado por el método de suma y el flujo de neutrinos esperado que observan varios experimentos”, asegura Algora.

Se refiere a los resultados reportados obtenidos por detectores situados cerca de centrales nucleares en Francia (Double Chooz), China (Daya Bay) y Corea del Sur (RENO), que capturaron menos antineutrinos de los esperados. Algunos explican este déficit mediante la existencia de un nuevo tipo de neutrino aún no descubierto, que no interaccionan con la materia, el neutrino ‘estéril’. Los nuevos resultados del grupo de Valencia debilitan esta hipótesis.

Referencia bibliográfica:

V. Guadilla et al. “Large Impact of the Decay of Niobium Isomers on the Reactor ¯νe Summation Calculations”. Phys. Rev. Lett. 122, 042502, 2019.
 https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.042502