Algunas aplicaciones de la distribución de probabilidad de los neutrones espalados por protones de alta energía

Abstract

Un material de número atómico elevado se denomina blanco de espalación, cuando sobre el mismo colisionan protones de alta energía. Los protones deben tener una longitud de onda de de Broglie muy inferior al tamaño del núcleo del blanco; en estas condiciones colisionan directamente con los nucleones del blanco. En cada colisión el protón arranca un nucleón; si el nucleón arrancado es un protón, éste se convierte en un nuevo protón secundario de espalación(1). La reacción es muy semejante al efecto Compton en la corteza electrónica. El resultado de la espalación es doble; de un lado, se calienta el blanco a causa de la deposición de energía de los protones secundarios; del otro, se emiten neutrones(2). En el caso de que incida una corriente de protones, el blanco se convierte en una fuente de neutrones de intensidad proporcional a la corriente. Mediante este proceso se pueden diseñar fuentes de neutrones de muy alta intensidad, varios órdenes de magnitud superiores a las típicas de (,n). Las fuentes de espalación se utilizan para irradiar materiales con neutrones(3). Se utilizarán también en la incineración de residuos nucleares con reactores subcríticos tipo ADS(4). Sin duda, el parámetro clave de diseño de estas fuentes es el número medio de neutrones por protón, que depende del material y la geometría del blanco, así como de la energía del protón incidente. El material suele ser un metal de número atómico alto y punto de fusión elevado; típicamente, Pb, W, Ta, Hg. La geometría, un cilindro de altura del orden del rango de los protones incidentes en el material. La energía del protón incidente, del orden de 1000 MeV; debe ser como mínimo superior a la energía media de enlace de los nucleones en los núcleos del blanco. Se dispone de correlaciones empíricas y códigos de cálculo para estimar el número medio de neutrones por protón(5). En la literatura pueden encontrarse además, medidas de la distribución de probabilidad de la multiplicidad de neutrones(6); esto es, la probabilidad de que un protón produzca N neutrones de espalación. Estas distribuciones son complejas ya que los neutrones pueden resultar de la colisión con el protón incidente o con los protones secundarios. Las distribuciones de probabilidad también tienen utilidad. En este trabajo se desarrollan dos aplicaciones. Una de ellas es el cálculo del factor de Diven(7), que aparece en la estima de las incertidumbres cuando se miden neutrones procedentes de una fuente de espalación. Otra, es el concepto de ‘blanco intermedio’ de espalación. Un blanco de espesor fino produce pocos neutrones, por lo que no es de utilidad; un blanco grueso, es grande y le quita reactividad al ADS, por lo que no siempre es la mejor opción. Entre ambos existe un espesor correspondiente a un blanco intermedio, que se puede precisar con el uso de las distribuciones de probabilidad