reactor nuclear

Las baterías atómicas que funcionan con la desintegración del plutonio llevan más de sesenta años alimentando marcapasos y sondas espaciales. Pero hay poco material para ellas: en todo el mundo solo se producen unos pocos kilogramos de plutonio-238 al año, y apenas alcanza para las misiones más importantes.

El núcleo de un átomo suele imaginarse como una esfera densa donde protones y neutrones están mezclados. Pero en algunos isótopos, los neutrones pueden sobresalir mucho más allá de esa esfera, formando una capa difusa: un halo de neutrones. Esto ocurre sobre todo en núcleos con muchos más neutrones que protones.

En 1976, los físicos predijeron que un electrón no solo puede pasar de largo junto al núcleo, sino que puede chocar contra él y transferirle energía, haciendo que el núcleo «se estremezca». El efecto se llamó NEEC — excitación nuclear por captura electrónica. Pero durante casi cincuenta años no se ha podido observar en un experimento.

La carrera por la energía de fusión se parece a intentar atrapar un rayo en una botella. Durante décadas, los físicos han luchado por recrear en la Tierra los procesos que alimentan al Sol.

El espacio vacío no está tan vacío como parece. Según la teoría cuántica, el vacío está lleno de partículas que continuamente se crean y se destruyen.

En las profundidades de una estrella de neutrones, la materia está tan comprimida que los protones y neutrones habituales dejan paso a nuevos actores. Allí nacen los hiperones, partículas que contienen un quark extraño.

El péndulo más preciso del mundo no es una barra de acero, sino un diminuto núcleo atómico. El isótopo torio-229 tiene un estado excitado especial: para llevar el núcleo a él se necesita muy poca energía, similar a la de un láser ultravioleta.

Un péndulo que casi nada puede desviar: no le afectan ni las sacudidas, ni el calor, ni los campos magnéticos, porque está escondido en el mismísimo corazón del átomo. Ese es el péndulo que han utilizado los físicos al poner en marcha por primera vez un reloj nuclear. Antes, los mejores relojes, los ópticos, funcionaban con transiciones de electrones.

Los relojes más precisos de hoy miden el tiempo a partir de las oscilaciones de los electrones en los átomos. Pero su marcha puede alterarse, como un resorte de un reloj mecánico se desajusta con los golpes. Los físicos han encontrado un péndulo más fiable: el núcleo atómico.

Núcleos atómicos envueltos en esponjosos abrigos de electrones: con semejante ropa, no hay abrazo que valga. Pero cambia el abrigo ligero por uno pesado: el muón, una partícula del modelo estándar, comprime la nube casi 200 veces.

El núcleo atómico es un muelle natural de fuerza colosal. Cuando los protones y neutrones de su interior se reorganizan, pasa a un estado especial de larga duración: isómero nuclear. En él se almacena energía, como un muelle comprimido al límite.

El modelo estándar es el conjunto de reglas para todas las partículas conocidas. Pero guarda silencio sobre la materia oscura, que constituye una cuarta parte del universo. Para encontrarla, no hace falta construir colisionadores del tamaño de una ciudad.

Un columpio solo se balancea si lo empujas acompasadamente. Si te desvías un poco del ritmo, el esfuerzo se pierde. De manera similar, la luz interactúa con el núcleo atómico: normalmente un fotón se absorbe solo cuando su energía coincide exactamente con la diferencia entre los niveles nucleares.

El láser golpea un blanco de alambres delgados y, en decenas de femtosegundos (milmillonésimas de milmillonésima de segundo), arranca de ellos un flujo de protones. Estos protones entran en un convertidor de litio y deuterio, donde nacen los neutrones.

El núcleo del átomo de torio-229 es como una cuerda de guitarra tensada: vibra a una frecuencia estrictamente definida. Para «extraer el sonido», se necesita un golpe preciso: un rayo láser de un color muy específico.

Un río fluye hacia un remolino, pero en el camino se encuentra con un dique que tiene una ranura. La mayor parte del agua se acumula frente al dique, pero una parte, tras ganar altura, lo sobrevuela y cae directamente en el embudo. Así ocurre con el gas en una galaxia: desciende hacia el centro, pero choca con un anillo de estrellas y gas, que actúa como un dique.

Un rayo láser tan tenue como un susurro de luz ha llevado un núcleo de torio-229 a un estado de mayor energía. La mayoría de los núcleos necesitan una explosión de energía, pero el torio-229 tiene una brecha energética tan pequeña que incluso este suave empujón funciona.

Los neutrinos son partículas diminutas que atraviesan el planeta como la luz atraviesa el cristal de una ventana. Cada segundo, miles de millones de estas partículas pasan a través de la uña de tu meñique, pero atrapar aunque sea una no es tarea fácil. Para ello, en Canadá se excavó una mina de dos kilómetros de profundidad y se instaló allí el detector SNO+.

Cuando colisionan núcleos pesados en aceleradores, se producen muchas partículas, y los físicos quieren entender cómo se mueve la carga eléctrica en ese caos. Dos trenes chocan entre sí: los pasajeros (quarks) salen despedidos, pero su equipaje (la carga) puede terminar lejos del lugar del accidente.

Dentro del Sol, cada segundo ocurren transformaciones nucleares invisibles. Una de ellas es el nacimiento del boro-8: el núcleo de berilio-7 captura un protón que pasa cerca y, por un instante, se convierte en un nuevo elemento.

Un reactor nuclear convencional se parece a una caldera donde el combustible arde de manera uniforme en todo el volumen. Aquí el panorama es otro: por una barra cilíndrica de carburo de uranio avanza lentamente una onda de fisión: una zona estrecha donde los átomos se dividen y liberan calor.

Un agente de aduanas no puede desmontar una maleta para saber qué hay dentro. La pasa por rayos X y, por las sombras en la pantalla, deduce: aquí hay metal, aquí materia orgánica. De manera similar, un inspector de futuros tratados de desarme nuclear debería verificar una ojiva sin abrirla y sin ver su contenido secreto. Los neutrones son mejores que los rayos X para esta tarea.

En una cámara oscura, donde la temperatura está solo cuatro grados por encima del cero absoluto, reposa un cristal de zafiro del tamaño de un grano de arroz. Cuando un neutrino —una partícula fantasma que apenas interactúa con la materia— lo atraviesa, el cristal se estremece y se calienta una fracción insignificante de grado.

En el interior de una estrella moribunda, antes de la explosión de la supernova, tienen lugar reacciones nucleares que determinan qué elementos químicos se dispersarán por el cosmos.

Cada vez que el deuterio y el tritio se fusionan en un reactor de fusión, sale un neutrón rápido. Puede transformar unas sustancias en otras, por ejemplo, crear isótopos valiosos para la medicina. Hoy en día, esos neutrones cuestan una fortuna, porque hay pocas instalaciones experimentales y funcionan con poca frecuencia.

Dentro del futuro reactor de fusión flotará un imán que pesa como un automóvil pequeño. Sostiene el plasma ardiente como una mano invisible sostiene una nube. Antes se consideraba que un imán así no servía para combustible de deuterio y tritio: los flujos de neutrones lo destruían rápidamente.

En abril de 2023, los satélites japoneses detectaron una potentísima explosión de rayos X en la estrella de neutrones MAXI J1752–457. La estrella se enfrió en 4 días, cinco veces más rápido de lo normal. Como si alguien hubiera entreabierto una rendija cósmica. Esa rendija la abrió el «proceso Urca» nuclear.

El antiprotón es el gemelo del protón, solo que con carga negativa. Cuando ese gemelo se acerca a un núcleo, no solo rebota: entre ellos se desata una danza de atracción y repulsión. Los físicos del CERN han aprendido a calcular esa danza para los núcleos más ligeros: deuterio (protón más neutrón), tritio y helio-3.

El núcleo atómico normalmente vive en un solo estado energético, como una pelota en el suelo. Pero el torio-229 tiene una rara excepción: el núcleo puede quedarse atascado en un pequeño escalón sobre el suelo, en el llamado estado isomérico. Este escalón es tan bajo que se puede alcanzar con luz ordinaria, no con radiación dura.

Cada año, solo en Estados Unidos, los médicos realizan más de 16 millones de exploraciones con el isótopo radiactivo tecnecio-99m. Ilumina en las imágenes el corazón, los huesos, los pulmones, ayuda a encontrar un tumor o a comprobar el flujo sanguíneo.

Encender un miniatura sol es un viejo sueño de la humanidad. Generalmente, los científicos intentan confinar plasma incandescente (gas de partículas cargadas) a temperaturas de cientos de millones de grados.

Una estrella moribunda se parece a un edificio de muchos pisos que se pliega sobre sí mismo. El núcleo se comprime hasta una densidad inimaginable, mientras las capas exteriores caen sobre él a velocidades de decenas de miles de kilómetros por segundo.

El aluminio-26 es un isótopo que vive poco en términos cósmicos: solo alrededor de un millón de años. Cuando una estrella masiva explota como supernova, expulsa este aluminio al espacio. Más tarde se desintegra, emitiendo rayos gamma que pueden ser captados por telescopios.

Para fusionar dos núcleos atómicos, hay que superar su feroz repulsión eléctrica, como juntar dos toros enfurecidos. En condiciones normales, solo ayuda una energía monstruosa, como en los núcleos estelares, donde Hans Bethe ya explicó la fusión en los años 30.

En las profundidades de las estrellas, los núcleos ligeros se fusionan, dando lugar a helio y flujos de neutrones. En la Tierra, este proceso se reproduce combinando deuterio y tritio, isótopos especiales de hidrógeno.

El globo ATIC se elevó sobre la Antártida y capturó partículas más antiguas que la propia Tierra. Entre ellas, núcleos atómicos desde azufre hasta cromo, y cuanto mayor es su energía, mayor es su proporción en comparación con el hierro.