La comunidad científica de principios del siglo XX recibió con cierto escepticismo el hallazgo del físico austríaco Victor Franz Hess. Durante sus experimentos con globos sonda este científico identificó una forma de radiación cuya intensidad se incrementa con la altitud y su abundancia varía con la latitud. En un principio pudo atribuir este hallazgo a un error en sus instrumentos de medida, pero no se trataba de ningún fallo o malinterpretación. Había dado con la radiación cósmica.
Los rayos cósmicos están constituidos por núcleos atómicos ionizados de alta energía que se desplazan por el espacio a una velocidad muy cercana a la de la luz (que es aproximadamente de 300.000 km/s). Que estén ionizados nos indica que han adquirido carga eléctrica debido a que han sido despojados de sus electrones, pero estos núcleos atómicos están hechos de la misma materia que nos constituye a nosotros y todo lo que nos rodea.
Una de las características más importantes de la radiación cósmica es su esencialmente perfecta isotropía. Este parámetro refleja que los rayos llegan de todas direcciones con la misma frecuencia, lo que nos indica que deben coexistir simultáneamente numerosas fuentes capaces de generarlos. Y sí, así es. Una parte importante de la radiación que impregna la atmósfera de nuestro planeta procede del Sol, pero también recibimos rayos cósmicos emitidos por otras estrellas o generados por cataclismos cósmicos, como las supernovas.
Los muones pueden utilizarse para radiografiar reactores nucleares en 3D
Su hallazgo le valió el Premio Nobel de Física, que compartió con el físico estadounidense Carl David Anderson, en 1936. Sin embargo, lo que probablemente Hess no intuyó durante sus experimentos era que su descubrimiento muchas décadas más tarde sería el germen de una tecnología que iba a permitir al ser humano radiografiar estructuras muy grandes, o bien aquellas cuyo grosor o dureza no permite acceder a su interior. Los reactores nucleares son unas de estas estructuras.
Los científicos han desarrollado una técnica que permite radiografiar estructuras muy grandes o impenetrables: la muografía
Una central nuclear funciona durante dieciocho meses como media sin detenerse. Durante este periodo de actividad se llevan a cabo operaciones de mantenimiento casi constantes, pero las más rigurosas y complejas tienen lugar durante las paradas que se programan para recargar el combustible. Sin embargo, es evidente que, debido a su complejidad y su potencial peligrosidad, lo ideal sería poder examinar la estructura de los reactores nucleares con mucha profundidad en cualquier momento. El problema es que inspeccionar un objeto tan grande sin acceder físicamente a su interior no es sencillo.
Afortunadamente los científicos han desarrollado una técnica que permite radiografiar estructuras muy grandes o impenetrables, como, por ejemplo, una pirámide, un volcán, o, por supuesto, un reactor nuclear. Y, curiosamente, el recurso natural que les permite hacerlo son los muones. Pertenecen a una familia de partículas conocida como leptones, en la que conviven con el electrón, el neutrino electrónico, el neutrino muónico, el tau y el neutrino tauónico. En cualquier caso, lo más interesante es que solo se producen cuando tienen lugar colisiones de alta energía, como aquellas en las que intervienen los rayos cósmicos o las que tienen lugar en los aceleradores de partículas.
Además, los muones son inestables, lo que provoca que cuando se originan decaigan rápidamente, desintegrándose para dar lugar a la producción de otras partículas, como los electrones, que son estables, o los neutrinos (solo el neutrino electrónico es estable). Y, al igual que los electrones, tienen carga negativa. Sin embargo, su masa es aproximadamente 207 veces mayor que la del electrón, lo que provoca que aceleren con más lentitud cuando se les somete al efecto de un campo electromagnético.
Los muones se producen en las capas altas de la atmósfera como resultado de la interacción entre los rayos cósmicos y los núcleos de los gases atmosféricos
Y también que emitan menos radiación de frenado, que es una forma de radiación electromagnética que se produce debido a la deceleración de una partícula con carga eléctrica. Los muones que nos interesan en este artículo se producen en las capas altas de la atmósfera como resultado de la interacción entre los rayos cósmicos en los que hemos indagado unas líneas más arriba y los núcleos de los gases atmosféricos. Cuando atraviesan un objeto los muones se desvían y pierden una parte de su energía cinética, de modo que a medida que un objeto es más denso la desviación de su trayectoria y la pérdida de energía también serán mayores.
Estas son las propiedades que han permitido a los científicos desarrollar la técnica conocida como tomografía muónica, que es, a grandes rasgos, similar a la toma de radiografías, pero que en vez de utilizar rayos X emplea los muones que llegan hasta nosotros gracias a la interacción de los rayos cósmicos con la atmósfera de nuestro planeta. Esta tecnología se utiliza, como he mencionado más arriba, para radiografiar objetos grandes e impenetrables, pero a unos investigadores franceses se les ha ocurrido aplicar los mismos algoritmos que permiten reconstruir imágenes tridimensionales en el ámbito de las aplicaciones médicas a la tomografía muónica.
Su propósito era obtener mapas de densidad en 3D muy precisos que les permitiesen examinar con mucha minuciosidad, entre otros objetos de grandes dimensiones, los reactores nucleares, y... bingo. Funciona. En el artículo que han publicado en ScienceAdvances explican con mucho detalle cómo lo han hecho. En este reportaje no necesitamos conocer su técnica (si tenéis curiosidad y queréis indagar más podéis echar un vistazo a su texto original), pero lo realmente importante es que por primera vez han logrado obtener una imagen en 3D de un reactor nuclear completo sin conocer previamente cuál era su estructura.
Para recrear estas imágenes han empleado las proyecciones que han obtenido gracias a la técnica de tomografía muónica y sus algoritmos de reconstrucción de imágenes en 3D. Eso es todo. A bote pronto puede parecer un procedimiento sencillo, pero, en realidad, hay mucha tecnología por debajo sin la que no sería posible. En cualquier caso, lo realmente importante es que esta innovación va a poder ser utilizada en adelante para examinar de una forma nada intrusiva, y, sobre todo, muy profunda, la estructura y el estado de conservación de los reactores nucleares. Y todo lo que contribuya a incrementar su seguridad es muy bienvenido.
Imágenes: Foro Nuclear
Más información: ScienceAdvances
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