Desde Bariloche, egresados y docentes del Instituto Balseiro generaron
un aporte crucial en la actualización de una de las bibliotecas de los datos
nucleares que se utilizan en el mundo para diseñar los núcleos de nuevos
reactores. En esta nota, uno de los protagonistas, que es investigador del
CONICET en el Centro Atómico Bariloche, cuenta los detalles.

Una de las bibliotecas de
datos nucleares más importantes a nivel mundial se llama “ENDF/B”, y se utiliza
para diseñar, por simulación computacional, distintos núcleos de reactores. Esa
biblioteca, de origen norteamericano, es la que se toma como referencia en los
proyectos nucleares de Argentina.
Este año, se publicó la versión 8 de esa biblioteca (la anterior había sido
publicada en 2011) con aportes de investigadores de distintos países. En esta
actualización, se incluyeron datos sobre la interacción de neutrones con agua
liviana y agua pesada que fueron desarrollados por investigadores que son
egresados del Instituto Balseiro y que trabajan en el Centro Atómico Bariloche.
“Que nuestros modelos se hayan publicado en esta biblioteca es un respaldo
fuerte a nuestro trabajo, pero también es una actividad importante de
transferencia del ámbito científico al tecnológico porque nuestras
investigaciones no van a quedar solamente como papers, sino que van a ser
utilizadas por ingenieros nucleares y grupos de cálculo y diseño de reactores
nucleares en Argentina y el mundo”, destacó el Ingeniero Nuclear José Ignacio
Márquez Damián.
Márquez es egresado y docente de la carrera de Ingeniería Nuclear del Instituto
Balseiro (dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica y la
Universidad Nacional de Cuyo) e investigador del Consejo Nacional de Investigaciones
Científicas y Técnicas (CONICET) en el Centro Atómico Bariloche. “Como
ingeniero nuclear es un orgullo que hayan incluido datos generados aquí en
Argentina, porque esta es la biblioteca en la que confiamos para realizar
cálculos neutrónicos”.
Los datos que fueron incluidos en esta biblioteca fueron desarrollados en el
Grupo de Datos nucleares del Departamento Física de Neutrones (Gerencia de
Ingeniería, Centro Atómico Bariloche), conformado también por los Dres.
Christian Helman, Florencia Cantargi y José Rolando Granada. En colaboración
con Canadian Nuclear Laboratories, Márquez realizó todos cálculos de
interacción de neutrones con agua liviana y pesada que fueron seleccionados
para actualizar la citada biblioteca “ENDF/B” durante su Doctorado en Ciencias
de la Ingeniería. Su director de tesis fue el Dr. Granada, también egresado y
profesor del Balseiro.

Cálculos en base a datos
En el núcleo de un reactor nuclear ocurre un fenómeno llamado “fisión”, en el
que átomos de un combustible, como por ejemplo el uranio, se divide a partir de
su interacción con neutrones produciendo energía. Un elemento moderador es
clave en ese proceso: el agua, que puede ser liviana o pesada, dependiendo del
tipo de hidrógeno utilizado. El agua liviana es agua común, destilada. Y el
agua pesada es aquella en la que el hidrógeno está reemplazado por deuterio,
que es hidrógeno con un protón y un neutrón en el núcleo, explicó Márquez.
El estudio del comportamiento de todas esas piezas de una reacción nuclear de
fisión controlada, y la utilización de esa información para el diseño de nuevos
reactores, es trabajo de ingenieros nucleares que recopilan, utilizan y
actualizan datos nucleares en grandes bibliotecas. En particular el agua
liviana y pesada es el material más utilizado como refrigerante y moderador de
neutrones en los reactores nucleares. “En Argentina los reactores
experimentales RA-0, RA-1, RA-3, RA-6 y RA-8, y los proyectos RA-10 y CAREM
usan agua liviana como refrigerante y moderador. Y las centrales nucleares Atucha
I, Atucha II y Embalse usan agua pesada”, informó Márquez.
“Para diseñar estos reactores se hacen cálculos de la distribución de los
neutrones en el núcleo del reactor, y esos cálculos utilizan bibliotecas de
datos nucleares para representar por simulación computacional la interacción de
los neutrones con los distintos materiales”, explicó Márquez ante la consulta
de por qué es crucial actualizar este tipo de bibliotecas. Además de la
norteamericana ENDF/B, existen: la biblioteca japonesa JENDL, la biblioteca
JEFF dependiente de NEA/OECD a la que el grupo también ha realizado
contribuciones.

– ¿Cuánto tiempo estuvieron trabajando en la actualización de esta
biblioteca?
– El trabajo científico fueron principalmente los años de doctorado. Luego
continué trabajando en el área de tecnología del CONICET en la aplicación de
esos resultados a sistemas reales, y presentando el trabajo en foros
internacionales para que sea aceptado como standard. La biblioteca ENDF/B tiene
una versión nueva cada cinco a diez años (las versiones anteriores fueron
publicadas en 2011 y 2006) por lo que en los últimos años estuvimos compitiendo
con grupos similares de Estados Unidos y Europa por generar los modelos que
finalmente serían adoptados. En total fueron casi diez años, desde que Rolando
Granada (el director de mi doctorado) me propuso encarar el desarrollo de
modelos de interacción de neutrones térmicos con agua hasta que finalmente
logramos incorporarlos a la biblioteca.

– ¿Podrías explicar por qué es tan importante tener una biblioteca de datos
para operar reactores nucleares térmicos?
– Para diseñar reactores nucleares es necesario conocer la distribución de
los neutrones dentro del reactor, ya que estos neutrones generan fisiones, que
a su vez generan energía. Para conocer esta distribución se resuelve una
ecuación que la describe: la ecuación de transporte de Boltzmann. En esa
ecuación la interacción de los neutrones con los distintos materiales del
reactor depende de la sección eficaz de interacción. Esas secciones eficaces
son propiedades de los distintos isótopos que componen cada material ya que,
por ejemplo, no es lo mismo la interacción de neutrones con hidrógeno que con
deuterio (hidrógeno con un neutrón en el núcleo).

– ¿Qué importancia tiene conocer cómo interactúan los materiales implicados
en el proceso?
– Cuando los neutrones se producen mediante la fisión del uranio lo hacen
con energía alta, lo que se denomina neutrones “rápidos”. Como la sección
eficaz de fisión es mayor para energías bajas, en el reactor se colocan
materiales denominados moderadores, que reducen la energía de los neutrones y
aumentan la probabilidad de que ocurran nuevas fisiones. Estos neutrones de
energía baja se denominan “neutrones térmicos”, porque tienen una energía
similar a la energía de agitación térmica de los átomos que los rodean. Para
estas energías bajas la sección eficaz de interacción de neutrones no sólo
depende de las propiedades del núcleo, sino también de la estructura y la
dinámica del material moderador (en este caso, el agua).

– ¿Qué tiene de nuevo o qué ventajas presenta tener actualizada la
biblioteca ENDF/B?
– Las secciones eficaces que se utilizan en los cálculos de reactores
nucleares provienen de bases de datos llamadas “bibliotecas”, que contienen
secciones eficaces para cada uno de los materiales del reactor. En otras
palabras, estas bibliotecas compilan la mejor información disponible al momento
de su publicación. La nueva versión de la biblioteca ENDF/B que se publicó a
principios de este año incluye varias actualizaciones, entre ellas nuestro
trabajo sobre interacción de neutrones térmicos con agua pesada y liviana. La
razón por la que fue elegido nuestro trabajo es porque permite calcular con
mejor precisión el funcionamiento de reactores moderados por agua, y eso se
debe a que nuestros modelos están basados en cálculos de dinámica molecular y
son una mejora respecto a los modelos anteriores.

– ¿Qué es la física de neutrones y por qué te gusta trabajar en este campo?
– La física de neutrones es el estudio de la interacción de neutrones con
distintos materiales, y tiene dos facetas: una es estudiar esa interacción
mediante cálculo, y la otra es realizar experimentos para validar los cálculos
y para utilizar los neutrones para medir propiedades de los materiales, o para
estudiar objetos en forma no-destructiva (por ejemplo, la radiografía con
neutrones se utiliza para estudiar piezas arqueológicas). La física de
neutrones me gusta porque me permite entender los procesos físicos que suceden
en los reactores nucleares, y los reactores nucleares son máquinas fascinantes:
un conjunto de materiales especiales dispuestos de una forma particular, que
producen una radiación que no se puede ver ni sentir pero que genera miles de
veces más energía que las reacciones químicas.

– Sos egresado del Balseiro, ¿qué balance hacés de tu paso por el Instituto
y su aporte en tu formación?
– Fui alumno del Instituto Balseiro en dos ocasiones, y las experiencias
fueron distintas pero ambas muy valiosas. Como carrera de grado estudié ingeniería
nuclear y más allá de la formación en ciencia y tecnología de reactores
nucleares (que todavía aplico) creo que lo que más me sirvió fue perderle el
miedo a encarar y aprender cosas nuevas. Después de un par de años en el
exterior volví a Bariloche para hacer un doctorado en ingeniería acá en el
Instituto Balseiro, buscando hacer algo que tenga impacto en el cálculo de
reactores nucleares. En esa segunda etapa lo más importante fue elegir un buen
grupo de trabajo, y en Física de Neutrones encontré un grupo que combina física
e ingeniería formado por investigadores de CONICET y CNEA muy experimentados
(varios de ellos, también docentes del Instituto Balseiro) lo que me simplificó
mucho el trabajo, ya que en buena parte fue aplicar ideas y técnicas que ya
estaban desarrolladas en el laboratorio.
La nueva versión de la biblioteca ENDF/B se publicó en el paper “Nuclear Data
Sheets” en febrero pasado. Firmaron 70 autores de unas 30 instituciones de
ciencia y tecnología de 13 países, entre los que se encuentra Argentina por sus
aportes desde el campo de la física de neutrones.

Fuente: Área de Comunicación
Institucional – Instituto Balseiro