Se instalará un detector de neutrinos en Angra 2, en Río de Janeiro

Será una herramienta de monitoreo en tiempo real del nivel de actividad del reactor, y funcionará como salvaguardia adicional de protección de la basura nuclear

Por Peter Moon  |  Agência FAPESP – De no surgir nuevos imprevistos, en mayo de 2016 se instalará finalmente un detector de neutrinos junto a la pared exterior del reactor nuclear de Angra 2, en Angra dos Reis, en el estado Río de Janeiro, Brasil.

Dicho detector fue proyectado para monitorear en tiempo real el nivel de actividad del reactor. Funcionará como una herramienta adicional de salvaguardia de protección para certificar que el combustible nuclear (uranio enriquecido) o su rezago (plutonio) no están siendo retirados de manera no declarada de las centrales, lo que podría constituir un indicio de desvío hacia su uso en armas nucleares.

“Eletronuclear, la empresa operadora de Angra 2, desea chequear su factibilidad técnica”, dice Ernesto Kemp, del Instituto de Física de la Universidad de Campinas (Unicamp), en São Paulo. El detector de neutrinos fue totalmente proyectado y construido en Brasil y cuenta con el apoyo de la Agencia Internacional de Energía Atómica (AIEA).

El proyecto final de este dispositivo está detallado en el trabajo intitulado "Using Neutrinos to Monitor Nuclear Reactors: the Angra Neutrino Experiment, Simulation and Detector Status", que ha sido publicado en el periódico Nuclear and Particle Physics Proceedings. Esta investigación cuenta con recursos de diversas agencias de fomento brasileñas, lo que incluye el apoyo de la FAPESP.

La fisión del uranio enriquecido en el interior de un reactor nuclear genera energía y basura radioactiva como el plutonio. También genera las menores y las más numerosas partículas subatómicas que se conocen, los neutrinos. Éstos no poseen carga eléctrica (tal como su nombre lo indica) y hasta los años 1990 no se sabía si tenían masa. Hoy en día se sabe que sí poseen masa, pero es mucho menor que la de los electrones. Si bien la masa de los neutrinos es casi despreciable, por otro lado, los mismos se producen en cantidades asombrosas a partir de las reacciones termonucleares en el núcleo de las estrellas.

El Sol baña a la Tierra con un tsunami incesante de neutrinos que atraviesa la atmósfera y el planeta entero, y sigue adelante como si hubiera cruzado el vacío. Los neutrinos son tan diminutos que 60 millones de éstos atraviesan cada centímetro cúbico de nuestros cuerpos por segundo, como si todos los átomos y las células que los componen no existieran.

Es precisamente esta propiedad fantasmagórica de los neutrinos la que servirá para monitorear la actividad del reactor de Angra 2. Pese a que el reactor está blindado por metros y más metros de plomo, acero y hormigón, los neutrinos generados en la fisión atraviesan todas esas barreras como si las mismas no existieran. El detector de neutrinos quedará apoyado sobre la pared exterior de la central, a 30 metros del reactor. Así podrá monitorear el flujo de neutrinos y estimar el nivel de actividad de la usina.

“Para robar plutonio, es necesario apagar el reactor”, explica João dos Anjos, colíder del proyecto, investigador del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF) y director del Observatorio Nacional. “Si se baja la potencia del reactor, se generan menos neutrinos. Existe una relación lineal entre la potencia del reactor y la cantidad de neutrinos que se generan. Esperamos detectar alrededor de cinco mil interacciones por día.”

Una nueva técnica

Para detectar cinco mil neutrinos por día, el dispositivo debe poseer una extrema sensibilidad. El detector de neutrinos está formado por un tanque con una tonelada de agua ultrafiltrada, rodeado por 32 fotomultiplicadores. Grosso modo, toda vez que un furtivo neutrino se choque con los átomos del agua en el detector (una probabilidad bajísima, pero que eventualmente ocurre), emitirá luz en forma de fotones con una intensidad suficiente como para que se los “vea” a través de los fotomultiplicadores.

Por segundo, el reactor de Angra 2, con una potencia térmica de 4 gigavatios, produce 100 mil millones de billones de neutrinos (10²² neutrinos). Ubicado a 30 metros, el detector será bañado segundo a segundo por un billón de neutrinos (10¹² neutrinos). En principio, se espera que se reporten tan sólo cinco mil por día. En la práctica, se espera detectar unos 2.500. “Por dos motivos: uno es que el detector no es un 100% eficiente y el otro es que el filtrado del ruido causado por fuentes naturales de radiación desperdiciará una fracción considerable de eventos genuinos”, dice Ernesto Kemp.

Según João dos Anjos, “los detectores de neutrinos en reactores nucleares constituyen una técnica que ya se ha puesto en práctica en Japón y en Francia. Son detectores mucho mayores, de 20 a 80 toneladas, enterrados en minas o túneles. El nuestro pesa una tonelada. El gran reto consiste en crear un detector pequeño y móvil, que quede en la superficie. Es una técnica nueva que debe ponerse a prueba.”

A tal fin, el hardware y el software de análisis deberán distinguir las interacciones generadas por los neutrinos del reactor con respecto a las generadas por el ruido de fondo, causado por los rayos cósmicos, por el torrente de neutrinos solares y por la radiación natural del medio ambiente. En un detector enterrado y blindado, todo este ruido está minimizado. “Como vamos operar en la superficie, nuestro blindaje es igual a cero. Las señales de rayos cósmicos pueden mimetizar y falsear una señal de neutrino del reactor. No podemos incurrir en errores”, afirma Ernesto Kemp.

Una vez que el detector de neutrinos entre en operación, los datos de todas las interacciones se enviarán a través de una línea dedicada al CBPF, con sede en Río de Janeiro, para su filtrado y su análisis en tiempo real. Ésta es una gran ventaja del detector brasileño con relación a los actuales dispositivos de control que la AIEA impone en las centrales nucleares. Para certificar que no se está retirando plutonio, los reactores son vigilados por cámaras y sensores de temperatura. Sus puertas están cerradas mediante sellados especiales. “Son métodos invasivos que a los operadores de las centrales no les agradan, pues dificultan la operación”, dice João dos Anjos. “Nuestro detector es externo a la central y no interfiere en su operación.”

El detector de neutrinos en estos momentos pasa por pruebas en el CBPF. En mayo, será montado nuevamente dentro de un contenedor de 12 metros que ya se encuentra en Angra 2. “Deberemos montarlo nuevamente en el lapso más corto posible. No podemos andar circulando libremente por la central. Andamos con escolta”, dice Dos Anjos. “Las normas de seguridad de una central nuclear son muy rígidas –como debe ser–, lo que torna difícil el trabajo. Debemos cumplir todas las reglas y pasar por todos los controles.”

Una larga novela científica

Las primeras reuniones del proyecto empezaron en 2005. Desde entonces han pasado 11 años. La idea inicial era construir un detector pequeño y otro mucho mayor, de 50 toneladas, enterrado debajo de Morro do Frade, un cerro que queda a un kilómetro y medio de Angra 2.

El gran detector se presupuestó en 50 millones de dólares. Ese diseño preliminar se orientaba al estudio de las oscilaciones de neutrinos. En esa época existían diversos grupos con propuestas similares en distintos lugares del mundo. Por cuestiones de costos, varios grupos se unieron, y el grupo brasileño se sumó al experimento de oscilación de neutrinos Double Chooz, que se construyó en Francia.

“Con esa mudanza, el grupo brasileño, que ya se había articulado en torno de la construcción de un detector de neutrinos de reactores en el país, resolvió llevar adelante la idea, pero con un objetivo distinto: el monitoreo de la actividad del reactor en este caso”, dice Kemp. Ese dispositivo menor, que es móvil, costó un millón de reales, aportados fundamentalmente por la Financiadora de Estudios y Proyectos (Finep). “Todo el proceso de proyecto y construcción del detector fue largo y plagado de imprevistos y complicaciones.”

El diseño inicial preveía un detector lleno de centellador líquido, más preciso que el de agua ultrapura. “Les informamos a los operadores de Angra 2 que pretendíamos utilizar un centellador líquido. De entrada, no opusieron reparos”, dice Kemp. “Recién cuando el diseño estivo listo, ellos lo rechazaron. Alegaron que el uso de centelladores era inseguro, pues existe un riesgo bajísimo –aunque real– de combustión. Por eso optamos por el detector de agua, que es menos preciso, pero más seguro. Todo el trabajo desarrollado entre 2006 y 2008 quedó casi completamente descartado.”

Antes de la construcción, el proyecto pasó por simulaciones en computadora que estuvieron a cargo del físico Pietro Chimenti, a la sazón en la Universidad Federal del ABC. Según Chimenti, “la idea de la simulación es que sea la mejor representación del experimento. A medida que se obtienen resultados, la misma se va refinando hasta arribarse al resultado definitivo”. Con el cambio del centellador líquido por agua, hubo que hacer y rehacer las simulaciones.

Será el primer detector de neutrinos construido y operado totalmente en Brasil. “Los físicos brasileños participamos de manera relevante en experimentos de partículas que se llevan a cabo en los grandes laboratorios mundiales. La construcción de este detector nos aportó grandes lecciones acerca de cómo hacer ciencia acá. En caso que obtener resultados positivos, contribuiremos a la misión de la AIEA de monitoreo del destino seguro de desechos nucleares”, afirma Kemp.

Puede leerse el artículo intitulado Using Neutrinos to Monitor Nuclear Reactors: the Angra Neutrino Experiment, Simulation and Detector Status (doi:10.1016/j.nuclphysbps.2015.10.090), de João dos Anjos, Kemp, Chimenti y otros, publicado en Nuclear and Particle Physics Proceedings 267–269: 108–115, en la siguiente dirección electrónica: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405601415010494.