el proyecto ra-10

ANTEPROYECTO
LABORATORIO ARGENTINO DE TÉCNICAS DE
INVESTIGACIÓN NEUTRÓNICAS AVANZADAS
(LATINA)
Hall del Reactor BER II del Helmholtz Zentrum Berlin
Rolando Granada1
Gabriela Aurelio1 y Joaquín Sacanell2
1
Centro Atómico Bariloche
Centro Atómico Constituyentes
2
Comisión Nacional de Energía Atómica
Mayo 2012
ANTEPROYECTO
LABORATORIO ARGENTINO DE TÉCNICAS DE
INVESTIGACIÓN NEUTRÓNICAS AVANZADAS
(Proyecto LATINA)
RESUMEN
El empleo de haces de neutrones ha venido realizando contribuciones
claves en el conocimiento científico y el desarrollo tecnológico, por un ya largo
periodo de tiempo. Estas técnicas neutrónicas están plenamente establecidas
como herramientas en muchos casos insustituibles en las investigaciones
experimentales de un amplio abanico de disciplinas.
Los neutrones siguen siendo una técnica preferencial para la
caracterización detallada de la dinámica y la estructura de nuevos materiales,
particularmente aquéllos de índole magnética. Así, la dispersión de neutrones ha
producido impactos significativos en el estudio y desarrollo en áreas tan
importantes como nanotecnología, materiales inteligentes, sensores,
biotecnología, espintrónica, ingeniería, catalizadores, arqueología, etc.
El proyecto para el diseño, la construcción y la puesta en marcha de un
reactor nuclear de investigación, de flujo neutrónico suficientemente alto como
para garantizar su utilización en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo la
producción de radioisótopos, la irradiación de materiales y combustibles
nucleares, las investigaciones científicas y tecnológicas, y la medicina nuclear,
ha sido iniciado por la Comisión Nacional de Energía Atómica (RP 200/10,
Proyecto RA-10).
La realización de este proyecto, que implica uno de los mayores esfuerzos
de inversión en CyT del país, permitirá expandir las capacidades nacionales en
cuanto a la producción de radioisótopos para atender a vitales necesidades
sociales, consolidará nuestro desarrollo de tecnología nuclear con fines pacíficos
y significará un enorme aporte al desarrollo de las diferentes disciplinas
científicas y tecnológicas al disponer de una de las más poderosas herramientas
experimentales de la actualidad.
Pero la concreción de estas posibilidades demanda la elaboración de
estrategias de mediano y largo plazo en la forma de políticas de estado para la
CyT, fundamentalmente dirigidas a promover una integración sistémica,
involucrando las Universidades, los Organismos Públicos de I+D, y el sector
empresario y de la producción, identificando y atendiendo las áreas de interés
nacional y regional, y asegurando el financiamiento de los recursos humanos y
de infraestructura necesarios.
Porque la existencia del reactor RA-10 y sus laboratorios asociados no
solamente podrá transformar crucialmente nuestra capacidad de resolver
problemáticas científicas y tecnológicas complejas, sino que habrá de
constituirse en un polo de convergencia de las diferentes comunidades de
investigadores y tecnólogos alrededor de un ´dispositivo´ común, donde se
promueva la aún embrionaria vinculación horizontal entre nuestros grupos
dedicados a ciencias básicas, aplicadas y desarrollos tecnológicos.
El nuevo Reactor RA-10 se constituirá en una fuente estacionaria de
neutrones de alta intensidad, proveyendo flujos de neutrones comparables a los
de los más modernos y avanzados reactores del mundo, como el OPAL en
Lucas Height, Australia, y el FRM-II en Garching, Alemania. La utilización de sus
haces a través de instrumentos de investigación diseñados y construidos según
el estado del arte y la técnica actual brindará oportunidades únicas para un
cambio cualitativo en el desarrollo científico-tecnológico nacional.
En este documento, investigadores representativos de una amplia gama
de tales disciplinas de nuestro país, expresan el resultado de sus análisis y
discusiones sobre la utilización de haces de neutrones provenientes del Reactor
de Investigación RA-10, y las conclusiones emergentes acerca del impacto que
dicha utilización podrá tener sobre la proyección de estas actividades a nivel
nacional y regional.
Se propone la integración de estas herramientas experimentales en un
Laboratorio de envergadura nacional y alcance regional, moderno en su
concepción, finalidad, operación y gestión, que garantice la mayor eficiencia y
calidad en las investigaciones, bajo las premisas de originalidad y pertinencia.
Se entiende que tal Laboratorio debería ser parte sustantiva del Plan Nacional
de CyT, a fin de asegurar su sustentabilidad no solamente en términos de
operación, mantenimiento y recursos humanos, sino también de competitividad e
impacto en aquellos temas de relevancia para el país.
Sirva este Anteproyecto como motivación para la discusión y análisis de
las oportunidades e inversiones requeridas, con la participación amplia de la
comunidad de CyT tanto a nivel individual como institucional, para que ese
Laboratorio Nacional nazca y se desarrolle como un proyecto de crecimiento
común y de trascendencia generacional.
Rolando Granada, Editor
Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro
Comisión Nacional de Energía Atómica
Gabriela Aurelio, Joaquín Sacanell, Editores Asociados
Mayo 2012
1. INTRODUCCIÓN
En el Siglo XXI la ciencia aparece fuertemente impulsada por la necesidad
de expandir y explotar una economía de alto valor tecnológico. Las sociedades
demandan materiales nuevos y complejos, más livianos, más resistentes o
de mayor funcionalidad, para afrontar aquélla necesidad y proveer
soluciones a los grandes problemas sociales y tecnológicos actuales,
incluyendo los asociados a la energía, la salud, y el medioambiente. Estas
demandas por materiales y productos cada vez más complejos, con propiedades
y funciones especializadas, requieren el empleo de una variedad de técnicas
para desentrañar y optimizar tales propiedades.
El neutrón como agente de investigación contribuye en la actualidad al
entendimiento y al desarrollo de casi todos los aspectos de las ciencias básicas y
aplicadas. Ello es así a pesar de la relativa inaccesibilidad de fuentes de
neutrones, porque la dispersión de neutrones ha permitido estudiar la dinámica y
estructura de la materia, inanimada y animada, desde las vibraciones de
átomos individuales de hidrógeno hasta el plegado de proteínas, desde las altas
temperaturas y presiones para explorar las propiedades del núcleo terrestre
hasta las bajas temperaturas y altos campos magnéticos necesarios para el
estudio de la superconductividad.
1.1 El escenario mundial
El empleo de técnicas neutrónicas se inició en Occidente como una
actividad parásita en los reactores nucleares, inicialmente diseñados para operar
como instalaciones de irradiación o bancos de prueba para el desarrollo de
tecnología nuclear. En décadas posteriores, las enormes potencialidades de
esas técnicas pudieron materializarse a través de la participación masiva de
científicos provenientes de las comunidades académicas e industriales, quienes
abrieron el camino a la muy vasta gama de aplicaciones actuales, que
incluyen hoy áreas tan variadas como energía, nanotecnología,
procesamiento de materiales, diseño de fármacos, biotecnología,
tecnologías “verdes”, tecnología de la información, y por supuesto,
producción de radioisótopos esenciales para la medicina, el agro y la
industria. Un elemento crucial para los desarrollos futuros es la necesidad de
observar los procesos y reacciones en tiempo real, y vincular tales observaciones
con sofisticados cálculos computacionales.
Fig.1.1: Fuentes de neutrones con instrumentos de investigación en el mundo. Círculos amarillos
corresponden a reactores y rojos a fuentes de ‘spallation’. El diámetro de los círculos representa
el producto de la intensidad de la fuente por el número de instrumentos allí instalados.
La utilización de neutrones en investigación continúa desplegándose pues
en campos tradicionales y nuevos, y no se avizoran modificaciones en esta
tendencia. Otras herramientas importantes para la investigación de la materia,
como radiación de sincrotrón, no pueden sustituir el empleo futuro de haces de
neutrones. De manera concomitante, el impacto directo de las técnicas
neutrónicas en la “creación de riqueza” sigue incrementándose a través de la
solución de problemas industriales relevantes, como los asociados al desarrollo
de multicapas, polímeros, ciencia de materiales e ingeniería.
El empleo de campos y haces neutrónicos se ha convertido así en
una poderosa herramienta de investigación y producción, en muchos casos
insustituible por su alcance y características. La explotación plena de tal
herramienta experimental constituye un objetivo y desafío constante en los
países avanzados, donde el grado de contribución de estas técnicas al desarrollo
científico y tecnológico en una variedad de campos muestra la retribución al
esfuerzo e inversiones realizados.
Basta con observar la contundencia de una de las conclusiones del “Caso
Científico” del documento FUTURE ACCESS TO NEUTRON SOURCES: A
Strategy for the UK [1]:
“El amplio rango de aplicaciones de los neutrones los convierten en una
herramienta esencial para el descubrimiento, entendimiento y aplicaciones
científicas en áreas que son vitales para la base científica y tecnológica del Reino
Unido. El Reino Unido tiene establecida una posición de liderazgo internacional
en el desarrollo de técnicas neutrónicas y, a través de instalaciones como (la
fuente de spallation) ISIS y el (reactor de alto flujo) ILL, provee una plataforma
singular que permite contribuciones de gran importancia en áreas cruciales para
la sociedad, como energía, salud, transporte y biociencia.”
o lo expresado recientemente por el Institute of Physics en un documento
llamado NEUTRON SCATTERING [2]:
“La dispersión de neutrones puede ser utilizada para abordar los desafíos
globales con que se enfrenta la sociedad, y para alcanzar desarrollos con
impacto a mediano o largo plazo sobre la economía. Dichas investigaciones
aplicadas se sustentan en los cimientos de los estudios fundamentales y las
técnicas desarrollados durante los últimos 30 años, y por tanto es crucial
continuar con tales investigaciones básicas para desentrañar las teorías y las
tecnologías de mañana”.
Los documentos citados [1,2], como el llamado “Autrans Report” :
Scientific Prospects for Neutron Scattering with Present and Future Sources [3], y
el generado por el nuevo proyecto “European Spallation Source” [4] brindan una
excelente revisión del impacto producido por la utilización de neutrones en la
ciencia y tecnología europea, como así también una visión estratégica de esos
países acerca del rol futuro que a tales técnicas les cabe en el crecimiento
económico de sus sociedades.
Más cerca en el tiempo y desde una dimensión de país más similar al
nuestro, la Prof. Helen Garnett, entonces Gerente Ejecutiva de la Australian
Nuclear Science and Technology Organization – ANSTO – expresaba en Abril de
2002, en ocasión de serle otorgada la autorización para construir el nuevo
Reactor de Investigación (OPAL):
“La licencia de construcción es significativa no solamente para científicos e
investigadores, sino para todos los australianos. El Reactor de Investigación
asegurará que Australia continúe recibiendo servicios médicos de la más alta
calidad, permanezca en la frontera de las nuevas y emergentes tecnologías, y
continúe jugando un rol importante en los asuntos nucleares de la región.
Este Reactor proveerá oportunidades únicas a los científicos australianos para
explorar la naturaleza de la materia y el comportamiento de nanoestructuras y
nuevos materiales. La nueva instalación tendrá un enorme potencial para
acceder a conocimientos asociados con biotecnología, ingeniería, materiales,
nanociencia, y ciencias ambientales, por nombrar algunas áreas de
investigación. Podemos esperar que esta fuente de neutrones fríos de clase
mundial se convertirá en un polo de actividad para científicos de todas partes
interesados en trabajos conjuntos.”
1.2 El impacto nacional y regional
Los desarrollos científicos y tecnológicos en nuestro país han sido
limitados desde un punto de vista global, fundamentalmente porque diferentes
causas han retardado la elaboración y concreción de políticas adecuadas en este
sentido. Las actividades de investigación y desarrollo exigen para su
desenvolvimiento eficiente de un apoyo eficaz y continuado, por cuanto las
capacidades de nuestros recursos humanos podrán materializarse
consecuentemente con la definición de objetivos y la concreción de inversiones.
Una poderosa herramienta ´genérica´
La aplicación de técnicas de dispersión de neutrones en actividades
vinculadas al desarrollo de tecnologías y ensayos no destructivos, se encuentra
en un estado de total afianzamiento en los países avanzados. Una descripción
del abanico actual de aplicaciones de estas técnicas en actividades de
investigación científica y tecnológica se brinda en las Refs. [2] y [5]. Como un
aspecto central de este Proyecto, un serio esfuerzo de información debe
realizarse hacia aquellos sectores nacionales con capacidad de incorporar
técnicas sofisticadas a sus procesos, fomentando así la interacción fuerte entre
investigación y producción a través de la participación y el empleo conjunto de
las nuevas instalaciones.
En definitiva, la concreción del nuevo reactor RA-10 en nuestro país, y
su utilización por parte de las diferentes disciplinas científicas y actores
tecnológicos, constituirá naturalmente un foro de intensa interacción entre
Universidades, Organismos Públicos de Investigación y Empresas
elaboradoras de productos de muy alto valor agregado, una herramienta de
integración desde la investigación básica hasta la innovación tecnológica a
través del empleo compartido de las técnicas neutrónicas asociadas.
Por otra parte, la complementariedad de las fuentes de neutrones y de
fotones – como la construida en Campinas, Brasil - como herramientas
experimentales de gran poder, permitirá disponer en el ámbito latinoamericano
de las técnicas modernas más requeridas en la actualidad, alrededor de centros
de gran envergadura localizados en Argentina y Brasil.
Relaciones y Colaboraciones Internacionales
Al igual que en la Argentina, Brasil ha venido considerando la construcción
de un reactor nuclear de investigación multipropósito desde hace ya un tiempo.
Ello ha involucrado discusiones con potenciales proveedores de Canadá y Corea
del Sur especialmente, hasta que finalmente se suscribe el Acuerdo de
Cooperación entre CNEA y CNEN sobre el Proyecto de Nuevo Reactor de
Investigación Multipropósito [6], entre los Presidentes de ambas Comisiones
Nacionales, y en presencia de las respectivas Presidentas de ambos países.
A partir de este acuerdo histórico, se abren nuevos caminos de
cooperación Sur-Sur, en espacios de alta sofisticación tecnológica, los cuales
pueden ser de extraordinaria importancia para ratificar un rumbo compartido en
el desarrollo de nuestra tecnología nuclear, a través del establecimiento de
grupos binacionales para buscar la optimización sinérgica de recursos y
capacidades en ambas instalaciones.
2. ANTECEDENTES
2.1 Haces de Neutrones: Proyectos anteriores
En Septiembre de 1985 el Presidente de la Nación, Dr. R. Alfonsín, firmó
el Decreto PEN N° 1777 por el cual, entre otras, se autoriza a la Comisión
Nacional de Energía Atómica a construir un nuevo Reactor Productor de
Radioisótopos Primarios (RA-9) en la Provincia de Córdoba.
Además del objetivo inicial del RA-9 como fuente de neutrones para la
producción de radioisótopos, surgió inmediatamente la posibilidad de su empleo
en áreas de la investigación básica y aplicada, interés que quedó plasmado en la
Declaración Conjunta suscripta por el Gobernador de la Provincia de Córdoba, el
Presidente de la Comisión Nacional de Energía Atómica y el Rector de la
Universidad Nacional de Córdoba (Embalse, 30 de Mayo de 1986).
En respuesta a la tarea encomendada por Resol. N° 563/86 del 5 de
Septiembre de 1986, se elaboró el Proyecto LATIN (J.R. Granada, Junio 1987),
el cual constituye una propuesta para utilización en investigación básica y
aplicada de los haces de neutrones del Reactor RA-9.
En ese Proyecto se contemplaron los diferentes aspectos de un
laboratorio para la utilización de técnicas neutrónicas, conjuntamente con un
adecuado programa de formación de recursos humanos y los requerimientos de
infraestructura y servicios. Un elemento distintivo de ese Proyecto fue la
propuesta de ofrecer sus capacidades experimentales no sólo a grupos de
investigación locales o nacionales, sino también a aquellos provenientes de otros
países latinoamericanos.
La piedra fundamental del RA-9 fue puesta en Embalse hace casi
veinticinco años, pero el reactor nunca se construyó por falta de asignación
presupuestaria.
Fig. 2.1: Resol. N° 563/86 de Presidencia de CNEA para crear un Proyecto de Dispersión de
Neutrones en el RA-9.
En los años transcurridos desde la primera propuesta para la utilización de
haces de neutrones provenientes del Reactor RA-9, seis nuevos reactores con
tales características entraron en operación en todo el mundo: NUR (1989,
Argelia, 1MW), OPAL (2006, Australia, 20MW), ETRR-2 (1997, Egipto, 22MW),
FRM-II (2004, Alemania, 20MW), JRR-3M (1990, Japón, 20MW), HANARO
(1995, República de Corea, 30MW). La mitad de ellos fueron construídos por
INVAP (Argentina), y de los tres más modernos, dos fueron construídos por
INVAP (Argentina) y el restante por SIEMENS (Alemania). También fueron
completados o se encuentran en ejecución mega-proyectos asociados a grandes
fuentes pulsadas de neutrones (spallation sources) en Estados Unidos (SNS),
Japón (J-PARK), Gran Bretaña (ISIS), y Europa (ESS).
Luego de la realización de diversos talleres específicos sobre los reactores
argentinos de producción e investigación, por RP 200/10 del 3 de Junio de 2010,
la Presidenta de CNEA resuelve iniciar el Proyecto Diseño, Construcción y
Puesta en Marcha de un Reactor Nuclear Argentino Multipropósito – RA10,
cuyas metas básicas son aumentar la producción de radioisótopos en escala
comercial para abastecimiento del mercado local, regional y parte del mercado
internacional, desarrollar ensayos de nuevos combustibles y materiales
nucleares a través de la implementación de facilidades de irradiación, y abordar
un amplio rango de temas vinculados con la investigación básica y aplicaciones
tecnológicas. El Proyecto RA-10 está en desarrollo en la CNEA.
Fig 2.2 Diseño preliminar del edificio del reactor RA10 y el Laboratorio asociado
Fig. 2.3: Anexo de la Resol. 200/10 de Presidencia de CNEA consignando las metas del Reactor
RA-10.
2.2 Diagnóstico de la Situación Actual respecto al Uso de Técnicas
Neutrónicas por grupos argentinos
A pesar de no contar con una fuente intensa de neutrones propia, hay
actualmente en Argentina un cierto número de científicos que tienen experiencia
utilizando fuentes de neutrones extranjeras, a las cuales han tenido acceso
gracias a colaboraciones científicas con laboratorios de países que sostienen
dichas fuentes, o por colaboraciones directas con personal empleado en las
mismas.
Además, un caso singular referido al empleo de neutrones para
investigación y desarrollo, fundamentalmente aplicados a la temática nuclear, es
el Grupo Neutrones y Reactores (hoy Depto. Física de Neutrones) del Centro
Atómico Bariloche, el cual ha venido empleando una fuente pulsada de
neutrones basada en un Acelerador Lineal (LINAC) de electrones de 25 MeV de
energía. Utilizando por más de 40 años esta fuente de neutrones única en su tipo
en Sudamérica, se realizaron importantes contribuciones al conocimiento en la
temática, como así también un particular esfuerzo en la formación de recursos
humanos especializados en técnicas neutrónicas, reflejado en 40 Tesinas de
grado y 22 Tesis Doctorales en Física e Ingeniería Nuclear en el Instituto
Balseiro.
Para ilustrar el impacto del empleo de técnicas neutrónicas en la ciencia
argentina, se realizó un sondeo de las publicaciones internacionales en revistas
indexadas entre cuyos autores hay al menos un investigador con afiliación en
Argentina, utilizando como palabras clave los términos “neutron diffraction” y/o
“neutron scattering” en los campos de búsqueda “title”, “keywords” o “abstract”.
Fig.2.4: Evolución por quinquenios del número de publicaciones relacionadas con la utilización
de técnicas de scattering neutrónico de investigadores argentinos, a septiembre 2011. Total:
323 publicaciones (G. Aurelio y G. Cuello, comunicación privada, 2012).
Se empleó la base de datos bibliográficos SCOPUS. La búsqueda
realizada no pretende ser exhaustiva sino meramente ilustrativa de la situación,
por eso los términos empleados se eligieron como aquellos más significativos
aunque posiblemente no abarquen la totalidad de los casos.
Es posible que haya alguna sobreestimación al tener algunos resultados
correspondientes a investigaciones teóricas que no se refieran al uso de haces
de neutrones, pero hay una cierta probabilidad de subestimar las entradas
halladas a causa de las palabras clave utilizadas y/o por la incompletitud de la
base de datos SCOPUS. Por lo tanto, podemos considerar que en promedio la
búsqueda es suficientemente representativa.
La búsqueda arrojó un total de 323 publicaciones entre los años 1959 y
2011, con una evolución temporal graficada en la figura 2.4.
Las áreas científicas que en Argentina más han utilizado las técnicas de
difracción y dispersión de neutrones, se grafican en la figura 2.5, basada en la
misma búsqueda bibliográfica. Las mayoritarias corresponden a Física,
Ciencia de Materiales, Química e Ingeniería. Sin embargo, hay algunos
trabajos en áreas como Ciencias de la Tierra y Planetas, Biología Molecular y
Bioquímica, Energía y Ciencias Medioambientales, que con un estímulo
adecuado podrían aumentar significativamente su empleo de técnicas
neutrónicas en sus investigaciones, como ocurre a escala internacional.
Fig.2.5: Distribución por disciplina científica de las 323 publicaciones (G. Aurelio y G. Cuello,
comunicación privada, 2012).
La comunidad de usuarios de neutrones en Argentina se distribuye en el
país como se muestra en la figura 2.6. Nuevamente, la información
corresponde a los resultados de la búsqueda en SCOPUS. Por su estrecho
vínculo con la CNEA, su tradición en estudios en el área nuclear, y su alta
concentración de investigadores, Bariloche nuclea la mayor cantidad de
investigadores del país que emplean haces de neutrones. Sin embargo, se
encuentran publicaciones de investigadores de varias provincias argentinas.
Fig.2.6: Distribución geográfica de autores con afiliación en Argentina de los 323 trabajos
arrojados por la búsqueda en SCOPUS (G. Aurelio y G. Cuello, comunicación privada, 2012).
Las técnicas que investigadores argentinos han utilizado son: difracción
de neutrones (más del 60% de las publicaciones de la búsqueda), dispersión
inelástica de neutrones y algunos trabajos en los últimos años sobre dispersión
de neutrones a bajo ángulo (SANS) y tomografía de neutrones.
.
Fig.2.7: Instituciones extranjeras con las cuales grupos argentinos han colaborado.
Es interesante observar la distribución de fuentes donde se han realizado
los experimentos que han dado lugar a estas publicaciones, como se muestra en
la Figura 2.7. Siendo el ILL la fuente de neutrones más utilizada en
colaboraciones con investigadores locales, se tomó como caso de estudio la
presentación de propuestas de experimentos al ILL durante los últimos 12 años.
La figura 2.8 indica la cantidad de tiempo de haz solicitada por año, y la
cantidad de tiempo asignada. La aprobación o no de una propuesta depende de
dos factores fundamentalmente: la calidad científica de la propuesta, y la
disponibilidad de tiempo considerando lo que se conoce como “balance
nacional”, que tiene en cuenta la filiación de los autores de la propuesta y su
aporte al consorcio del ILL. En la figura 2.9 se indica asimismo el número de
propuestas por año, ya que la cantidad de tiempo solicitada depende mucho del
tipo de experimento e instrumento pedido.
Fig. 2.8: Cantidad de tiempo de haz solicitado al ILL en el período 2000-2012. (G. Aurelio y G.
Cuello, comunicación privada, 2012).
El gráfico anterior muestra la evolución en el tiempo de requerimientos de
experimentos en diferentes instrumentos del ILL, donde se observa el marcado
incremento durante el año anterior (2011) como asimismo la notable eficacia en
la relación [días otorgados] / [días solicitados], un claro indicador de la calidad
y originalidad de las propuestas presentadas en el más alto contexto de
competitividad internacional.
Fig. 2.9: Número de propuestas presentadas al ILL en el período 2000-2012.
Es importante destacar que el notable incremento observado en la
presentación de propuestas de Abril 2012, fue estimulado por la posibilidad de
convertir a Argentina en socio del ILL, como parte de un proyecto de formación
de recursos humanos motivado por la construcción del RA10. Tal proyecto aún
no se ha concretado, pero las negociaciones con el ILL favorecieron que los
científicos argentinos presentaran propuestas al unísono para apoyar la firma de
esta asociación. Más allá del resultado final, lo interesante es observar que las
30 propuestas presentadas son un reflejo de lo que significaría tener hoy una
facilidad propia como el RA10. Con 6 años por delante y una adecuada
política de formación de RRHH, los usuarios de LATINA están
garantizados.
En la siguiente figura 2.10 se muestra la distribución geográfica de los
grupos que han pedido tiempo de haz en ILL.
Finalmente, hemos clasificado las propuestas presentadas de acuerdo a
los instrumentos solicitados, lo cual permite analizar la demanda actual por
técnica y de ese modo, establecer prioridades en nuestro ante-proyecto (Fig.
2.11 y 2.12).
Fig.2.10: Distribución por localidad de las propuestas presentadas al ILL en el período
2000-2012
Fig.2.11: Clasificación por técnica instrumental solicitada en las propuestas al ILL del
período 2000-2012
Fig. 2.12: Distribución por técnica de propuestas presentadas al ILL desde 2000 hasta 2012.
Es de destacar que un elevado porcentaje de los requerimientos históricos
de grupos argentinos están vinculados a difractometría de neutrones,
asegurando que la importante comunidad de Cristalografía tendrá un claro y
decidido interés en la instalación temprana de este tipo de instrumentos.
En síntesis, existen ya en el país grupos expertos que habrán de
beneficiarse en primera instancia con la incorporación de una nueva y
poderosa herramienta experimental, garantizando asimismo una utilización
eficiente de la instrumentación asociada al reactor de investigación RA-10.
3. USOS Y BENEFICIOS DE LAS TÉCNICAS
NEUTRÓNICAS ACTUALES
Este capítulo contiene descripciones de los temas actuales de
investigación y sus proyecciones, incluidos en el documento FUTURE ACCESS
TO NEUTRON SOURCES: A Strategy for the UK [1], a título informativo acerca
del abanico temático abordado por investigadores con el empleo de estas
técnicas. Asimismo, y con el mismo propósito, se incluyen como Refs. [3] y [4]
otros documentos con resultados recientes obtenidos en diferentes campos con
la utilización de la dispersión de neutrones.
Una de las motivaciones centrales para el diseño, construcción y
operación de algunos de los reactores argentinos de investigación (RA-3, RA6+), ha sido y seguirá siendo para la CNEA la producción de radioisótopos
(www.cnea.gov.ar/xxi/primeras/orga-objetivos.asp). Otra aplicación de la mayor
importancia vinculada con el desarrollo de materiales y combustibles nucleares
es su irradiación con neutrones, para estudiar los daños producidos en aquéllos y
la evolución y cuantificación del quemado en los últimos. Estas actividades no se
detallan aquí, porque se entienden obviamente incluidas entre las razones
históricamente prioritarias de utilización de fuentes de neutrones por parte de
CNEA.
La dispersión de neutrones ha permitido estudiar la dinámica y estructura
de la materia, inanimada y animada, desde las vibraciones de átomos
individuales de hidrógeno hasta el plegado de proteínas, desde las altas
temperaturas y presiones para explorar las propiedades del núcleo terrestre
hasta las bajas temperaturas y altos campos magnéticos necesarios para el
estudio de la superconductividad. La cobertura de tan amplia gama de intereses
científicos y tecnológicos por parte de las técnicas neutrónicas se sustenta en las
propiedades únicas que los neutrones lentos poseen como agente de
investigación, las cuales son suscintamente descriptas en el Anexo 1, mientras
que sus aplicaciones características son mencionadas en el Anexo 2.
A partir de la selección temática establecida, investigadores argentinos
representativos de las respectivas comunidades han indicado los instrumentos
de scattering de neutrones más importantes para sus estudios, y el impacto que
la disponibilidad de estas técnicas podrán tener para el futuro de dichas
investigaciones.
3.1 Física y Química Estructural
La difracción de neutrones ha sido decisiva para muchos de los avances
cruciales en la física y la química del estado sólido durante la segunda mitad del
siglo pasado. Desde los experimentos iniciales cinco décadas atrás sobre las
estructuras magnéticas de óxidos de metales de transición, la técnica neutrónica
ha impactado sobre un amplio rango de estudios en la física de la materia
condensada, hasta las investigaciones farmacéuticas, pasando por la química
estructural y las ciencias geológicas.
Gran parte del conocimiento moderno sobre el magnetismo atómico y
molecular se inició con aquellos experimentos primeros de dispersión de
neutrones. Estas técnicas de difracción juegan un rol esencial en el
descubrimiento y caracterización de nuevos materiales magnéticos, incluyendo
los muy poderosos imanes permanentes duros, materiales con magnetoresistencia colosal e imanes moleculares.
Un intenso esfuerzo de investigación se ha dedicado en años recientes a
los materiales acumuladores de energía, impulsado por el rápido desarrollo de
equipamiento electrónico portátil. Teniendo presente que los mecanismos de
carga involucran átomos livianos (H +, Li+), la difracción de neutrones resulta la
herramienta ideal para entender tales mecanismos y caracterizar los materiales
que componen las celdas.
El desarrollo de la economía del hidrógeno como una alternativa a la
dependencia de combustibles fósiles depende directamente de materiales que
permitan la acumulación segura y eficiente del hidrógeno. Por ejemplo, aquéllos
basados en hidruros metálicos livianos como MgH 2 y Mg2FeH6 son buenos
candidatos, y la utilización de difracción de neutrones sobre las formas
deuteradas de tales hidruros resultó un método óptimo para la determinación de
la ubicación y el comportamiento del hidrógeno cuando es absorbido y desorbido
en esos materiales.
Los neutrones han jugado un papel fundamental en la comprensión de la
ciencia del hielo, del agua, y los sistemas acuosos. Los neutrones no solamente
son dispersados con intensidad por el hidrógeno, pero también por otros
componentes principales de estos sistemas, como el oxígeno, carbono y
nitrógeno.
Fig. 3.1: Densidad de spin in el
primer ferromagneto orgánico
sintetizado, la fase β del paranitrophenyl nitronyl nitróxi-do.
La densidad de spin se
encuentra
mayoritariamente
sobre el grupo O-N-C-N-O del
fragmen-to nitronyl nitróxido; el
contorno revela que el electrón
no apareado responsable del
magnetismo
está
situado
preferentemente
sobre
el
oxígeno y el nitrógeno, pero si
se ubica sobre el átomo de
carbono central invierte su
spin, dando lugar a una
densidad de spin negativa.
El empleo de técnicas neutrónicas ha sido crucial para suministrar
información cuantitativa sobre las particularidades estructurales de los enlaces
hidrógeno, interacciones hidrofóbicas y coordinación ión-agua, las cuales son
fundamentales para nuestro entendimiento acerca del funcionamiento y plegado
de moléculas mucho más grandes, como cadenas de péptidos de relevancia
biológica, moléculas superficialmente activas y otros sistemas de interfase.
3.2 Materia “Blanda”
Materia blanda (´soft´ matter) comprende un amplio rango de materiales
moleculares, incluyendo polímeros, coloides y de actividad superficial. Esta es un
área de investigación crecientemente motorizada por las aplicaciones industriales
y tecnológicas de estructuras complejas, en general fuera de equilibrio.
Estudios con neutrones sobre estos sistemas, frecuentemente empleando
sustitución isotópica, proveen información clave sobre las mesofases complejas
que existen en muchas formulaciones modernas, desde productos cosméticos
hasta farmacéuticos. Por otra parte, investigaciones con neutrones en tiempo
real sobre procesamiento de sólidos blandos y fluidos constituyen aportes de
gran importancia para muchos procesos industriales.
La dispersión de neutrones ha sido la herramienta primaria para la
determinación de estructuras en sistemas autoensamblantes, como micelles,
microemulsiones, vesículas y otras estructuras mesofásicas más complejas. La
capacidad penetrante de los neutrones ha sido explotada en estudios realizados
en condiciones físicas difíciles, como los que proveyeron la información
estructural indispensable para el desarrollo de moléculas CO 2-fóbicas. Las
técnicas neutrónicas han producido también muy valioso conocimiento acerca de
las transiciones cinéticas y estructurales de los sistemas autoensamblantes, al
permitir un seguimiento en tiempo real y sin perturbar la evolución de los mismos.
Estudios recientes de dispersión de neutrones con alta resolución espacial
proveyeron una importante vinculación entre la evolución de microestructura y
propiedades reológicas de sólidos blandos, bajo condiciones similares a las de
su procesamiento. Estos estudios permitieron una comprensión cuantitativa del
rico comportamiento reológico de polímeros fundidos en términos de los
procesos de entrecruzamiento fundamentales asociados con la reptación de las
cadenas.
La investigación sobre superficies ha revolucionado nuestro conocimiento
sobre la adsorción de surfactantes (agentes activos en superficie, con capacidad
de reducir significativamente la tensión superficial de líquidos) y polímeros en
interfases, produciendo un enorme impacto sobre las aplicaciones tan diversas
como las de detergentes, lubricantes, adhesivos y todo un rango de
recubrimientos especializados. También en este rubro la reflección de neutrones
en superficies ha sido la herramienta primordial para proveer información sobre
la estructura de esos agentes, sus mezclas, y los procesos y fenómenos que
caracterizan sus propiedades tan singulares e importantes en aspectos tan
variados de la industria o la vida cotidiana.
En el caso de polímeros, y las interfases polímero-polímero, la información
estructural desde la escala atómica a la mesoscópica es de gran importancia en
la búsqueda de sus propiedades, ya sea en el volumen o en la superficie. Pero
los estudios neutrónicos sobre estos materiales no se han circunscriptos a la
información sobre las estructuras estáticas de los mismos, sino también sobre su
dinámica. Con estas técnicas se pudo develar que la reptación de cadenas es el
mecanismo principal de difusión en mezclas de polímeros, o proveer información
sobre fluctuaciones y dinámica de membranas.
Fig. 3.2: Estructura de un
surfactante
el
cual
se
descompone en sus segmentos
afines al agua y al aceite, por
efecto de la luz.
Instrumentos
Los estudios arriba indicados requieren la utilización de un abanico de
técnicas experimentales. Por una parte, las determinaciones estructurales en
sistemas moleculares complejos, demanda el empleo de Difractómetro de Alta
Resolución, mientras que el seguimiento de la cinética de los sistemas
autoensamblantes o las determinaciones estructurales en líquidos y amorfos
requiere de experimentos con Difractómetros de Alta Intensidad donde la alta
resolución no es una limitación.
El estudio de materiales sobre la escala mesoscópica se realiza con el
empleo de difracción a pequeño ángulo, mientras que la dinámica de muy baja
frecuencia característica en la Física de Polímeros requiere para su estudio el
empleo de espectrómetros con el empleo de neutrones fríos. Finalmente, el
estudio experimental de los fenómenos de superficie o interfaces, de gran
importancia industrial, se beneficia grandemente de la reflectometría neutrónica.
3.3 Ciencia de Materiales e Ingeniería
Las técnicas neutrónicas tienen un amplio rango de aplicación dentro de
áreas de investigación tradicionalmente vinculadas a la industria metal-mecánica,
como la ciencia de materiales o la ingeniería mecánica. La gran penetración de
los neutrones en la mayoría de los metales permite realizar mediciones no
destructivas sobre componentes reales, o atravesar paredes de hornos u o
dispositivos. Esto ha originado cuatro herramientas experimentales que están
aún en franco crecimiento a nivel mundial.
En primer lugar debemos mencionar el estudio in-situ de los cambios
microestructurales que sufren los materiales durante procesos termo-mecánicos
representativos de las condiciones de operación, de fabricación, o en escenarios
de eventuales accidentes. Mediante experimentos de difracción es posible
monitorear los cambios que ocurren en la composición de las fases presentes en
el material, las distribuciones de tamaño y orientación de los granos, y las
tensiones entre los mismos; así como la densidad y el tipo de dislocaciones.
Fig.3.3: Mapa de deformación elástica en una soldadura de una soldadura en un recipiente de
presión de acero inoxidable determinado por difracción de neutrones
Esta información es esencial para comprender los mecanismos
responsables del comportamiento mecánico de los materiales. Esto es aún más
relevante para el caso de materiales compuestos (composite materials).
Por otro lado la medición precisa de separaciones atómicas en función de
la posición en un pequeño volumen dentro de una muestra masiva permite definir
la magnitud y la distribución espacial de las tensiones residuales que aparecen
dentro de toda pieza o componente mecánico como resultado del proceso de
fabricación o ensamblaje. El conocimiento de dichas tensiones es de vital
importancia para poder predecir posibles mecanismos de falla, como el
crecimiento de fisuras o la morfología de precipitados resultantes de procesos de
corrosión. La predicción teórica de estas tensiones es extremadamente difícil
para procesos tales que involucran una gran deformación plástica o tratamientos
térmicos extremos, como los que ocurren, por ejemplo, en soldaduras.
También basada en el proceso de difracción, la técnica de dispersión de
neutrones a bajo ángulo (SANS) permite obtener información estadísticamente
significativa sobre la estructura de los materiales en el rango de 10 -9m a 10-6m.
Estudios de este tipo permiten por ejemplo cuantificar el daño por radiación en
aceros en componentes nucleares, formación y precipitación de intersticiales, y
cambios estructurales y de composición en función de la dosis de radiación
recibida. Procesos como solidificación, precipitación, crecimiento de granos y
bordes de granos en metales son estudiados intensivamente con técnicas
neutrónicas, proveyendo información relevante para la aplicación estructural de
diferentes materiales. El importante campo de los materiales cerámicos y otros
de estructuras abiertas como nanotubos de carbono y zeolitas, es también
intensamente explorado con neutrones, para conocer sus estructuras,
conectividad percolativa, superficie específica y porosidad.
Por último, las técnica de radiografía y tomografía neutrónica permiten
observar la estructura interna de un componente, de forma análoga a sus
equivalentes con rayos-X, pero con un factor de contraste muy diferente. Como
se mencionó previamente, los neutrones permiten visualizar elementos livianos
(Hidrógeno, Carbono, Nitrógeno, Litio, etc) que son difíciles de observar con
rayos-X. Más allá de aplicaciones directamente relacionadas a la industria metalmecánica (fallas por Hidrógeno, distribuciones de elementos aleantes, etc), esta
técnica tendrá un impacto importante en muchas grupos de investigación y
desarrollo de nuestro país. Entre otros podemos mencionar a aquellos dedicados
a la implementación de energías limpias, como la tecnología del hidrógeno (que
representa una política nacional a través de la Ley 26.123), o a la tecnología de
baterías de ion Litio. Debido a su carácter no-destructivo está técnica también
resultará de especial interés para grupos dedicados a la caracterización analítica
y la conservación de bienes culturales, actualmente nucleados en jornadas tales
como Tecnarte.
Fig.3.4: Aplicaciones de las técnicas de radiografía y tomografía neutrónica.
Las técnicas neutrónicas descriptas permiten tanto optimizar los procesos
de producción, como precisar la integridad estructural de componentes sensibles
en industrias donde la seguridad es crítica, como la aeronáutica o la nuclear.
Estás técnicas resultan de gran interés para numerosos grupos de investigación
dentro de las Universidades, organismos nacionales como CNEA, o empresas
dentro del sector como Tenaris, FAE, o ALUAR. Existe actualmente en el país
una comunidad importante dentro de esta área que realizan encuentros
periódicos organizados por instituciones tales como la Sociedad Argentina de
Materiales.
3.4 Biología y Bioquímica
Los avances recientes en biología molecular y bioquímica nos muestran
las enormes oportunidades de investigación sobre la estructura y dinámica de los
complejos sistemas biológicos. A medida que crece el número de problemas
avizorados, se hace evidente que una batería completa de diferentes métodos
será necesaria para entender tales sistemas y sus funciones biológicas.
Los métodos neutrónicos son no destructivos y pueden suministrar
información en biología que no es accesible por otros métodos. Es decisivo en
este sentido el hecho que diferentes isótopos dispersan neutrones de manera
muy diferente, y por tanto la deuteración selectiva constituye una poderosa
herramienta para resaltar partes específicas de los biomateriales. Esta capacidad
tiene importantes consecuencias para el estudio de macromoléculas biológicas
en soluciones, interfases, fibras, y eventualmente monocristales para estudios
cristalográficos de alta resolución.
La técnica SANS ha sido empleada para proveer información vital de baja
resolución sobre la forma e interrelaciones entre diferentes partes de una
macromolécula. Un ejemplo reciente es la determinación de la organización de
subunidades en enzimas modificadoras del ADN. A través de la deuteración
individual de subunidades, y estudiando análogos de enzimas reconstituídas
luego de deuteración selectiva, ha sido posible determinar la forma en que las
subunidades se organizan para formar la enzima activa. Trabajos actuales están
orientados a determinar cómo se mueven esas subunidades cuando la enzima
reconoce su blanco en la secuencia del ADN. Otros ejemplos de estudios
recientes con SANS ha sido la determinación de los cambios estructurales que
ocurren en proteínas musculares, y la manera en que proteínas del sistema
inmune adaptan sus formas para permitirles ligarse a diferentes blancos.
La reflección de neutrones ha sido empleada para entender el mecanismo
por el cual las toxinas atacan membranas celulares, o cómo los antibióticos
naturales afectan las membranas de bacterias, conduciendo posiblemente a
nuevas maneras de encarar la lucha contra patógenos resistentes a las drogas.
En el caso de materiales fibrosos, las ventajas de emplear difracción de
neutrones para investigar la estructura de solventes o la posición de átomos de
hidrógeno alrededor de las moléculas son obvias, a través del empleo de la
deuteración selectiva.
Estudios cristalográficos de alta resolución con neutrones permiten dar
respuestas sobre hidratación o ubicación de átomos de hidrógeno en los sitios
activos de las enzimas, en muchos casos imposibles de ser obtenidas con el uso
de rayos X. Un ejemplo ha sido la determinación de las posiciones de los
hidrógenos lábiles en el sitio activo de Aldose Reductasa, una importante enzima
implicada en complicaciones de la diabetes; esto ha aportado detalles
adicionales sobre los residuos en la región activa de la proteína, con potenciales
importantes consecuencias para el diseño de drogas.
Las macromoléculas biológicas son nanomáquinas cuyas estructuras y
movimientos internos han sido seleccionados por la evolución para desarrollar
funciones biológicas específicas. Debido a su conjunción de longitudes de onda y
energías, los neutrones lentos permiten obtener información sobre los modos de
vibración de tales macromoléculas, tanto en lo referente a sus frecuencias
características como las respectivas amplitudes de vibración, sin perturbar las
fuerzas que mantienen su estabilidad estructural y actividad.
Instrumentos
Por lo expresado anteriormente, este importante campo de investigación
científica habrá de beneficiarse particularmente con la existencia de los
siguientes instrumentos:
a)
b)
c)
d)
Difractómetro de Polvos de Alta Resolución
Difractómetro de Pequeño Angulo
Reflectómetro de Neutrones
Espectrómetro de Neutrones Fríos
Las técnicas mencionadas pueden ser plenamente explotadas en esta área
siempre que se disponga de un laboratorio para deuteración de muestras.
Fig.3.5: Las siete hélices de
bacterio-rhodopsina
como
aparecen conformando la red
cristalina. La flecha roja muestra el
camino del protón que es
transferido desde dentro de la
célula hacia fuera cuando la
proteína es iluminada con luz.
3.5 Física de la Materia Condensada
Las aplicaciones de neutrones como herramienta de prueba de la Física
del Estado Sólido se extienden desde las investigaciones de conceptos
fundamentales de la física a desarrollos de materiales con propiedades
novedosas. Los estudios fundamentales incluyen experimentos cruciales para
validar modelos teóricos simples, pero que de cualquier manera permiten
demostrar fenómenos nuevos o aun no entendidos. Un ejemplo es el estudio del
magnetismo en materiales donde la mecánica cuántica produce
comportamientos no clásicos o nuevos estados como la superconductividad o la
condensación de Bose-Einstein. Otro ejemplo de estudios fundamentales son los
relativos a sistemas electrónicos fuertemente correlacionados; en este caso,
modelos bien establecidos de electrones moviéndose en el potencial promedio
de otros electrones resulta inapropiado, y nuevos conceptos como criticalidad
cuántica debieron desarrollarse.
Un análisis reciente realizado por un grupo internacional de destacados
expertos en el área de técnicas neutrónicas aplicadas al estudio de la Física del
Sólido, muestra el siguiente cuadro, destacando las áreas de punta en la
investigación:
La comunidad de científicos/químicos trabajando en Materia Condensada
en Argentina, abarca en gran medida los temas destacados en este cuadro. Eso
los convierte en potenciales usuarios de las técnicas de scattering neutrónico.
Para citar algunos pocos ejemplos:
En los Departamentos de Resonancia Magnética, de Bajas Temperaturas,
y de Física de la Materia Condensada de la CNEA (los dos primeros del Centro
Atómico Bariloche y el tercero del Centro Atómico Constituyentes), se estudian
prácticamente todos los temas mencionados en el cuadro precedente, con una
gran experiencia en materiales magnéticos y superconductores.
En el Instituto de Física del Sur (Universidad Nacional del Sur, Bahia
Blanca) se realizan estudios estructurales en macromoléculas, problemas
básicos en catalizadores nanoestructurados y la estructura y dinámica de
materiales (líquidos, polímeros, coloides) auto-organizados en estructuras
mesoscópicas.
En el Instituto de Física de La Plata (Univ. Nac. de La Plata), se investigan
nuevos materiales magnéticos, la relación entre la estructura cristalina y
magnética, cristalografía de moléculas y la relación entre la estructura y la
actividad biológica en materiales orgánicos.
En la Facultad de Matemática, Astronomía y Física (Univ. Nac de
Córdoba), se estudian materiales magnéticos y multiferroicos nanoestructurados,
películas delgadas y cerámicos magnéticos, dinámica de paredes de dominio y
dinámica en sistemas coloidales.
En el Departamento de Física (Univ. de Buenos Aires), se estudian
superconductores de alta Tc, nanoestructuras magnéticas, dinámica de sistemas
vítreos y nano-compuestos en base a polímeros y materiales orgánicos
Todos los grupos mencionados en el párrafo anterior se verían
notablemente beneficiados de existir una facilidad de haces de neutrones en el
país y muchos de ellos ya utilizan técnicas de neutrones dentro de sus líneas de
investigación.
Muy frecuentemente las investigaciones en esta área demandan
condiciones experimentales extremas, como campos magnéticos intensos,
temperaturas cercanas al cero absoluto, o presiones de miles de atmósferas.
Los estudios fundamentales conducen a una mejor comprensión y al
desarrollo de nuevos materiales. Se necesita un conocimiento del magnetismo
cuántico para entender el comportamiento de materiales complejos en los cuales
juega un rol decisivo, como los superconductores de alta temperatura y los
imanes moleculares que pueden ser los componentes de las futuras
computadoras cuánticas. Los sistemas de electrones fuertemente
correlacionados pueden involucrar el acoplamiento de los espines electrónicos
con las vibraciones de la red, o con el ordenamiento de orbitales atómicos, con el
concomitante acoplamiento de, p.ej., resistividad con campos magnéticos
aplicados, o presión con campos eléctricos.
Los neutrones constituyen una valiosa herramienta en la tarea de entender
tales materiales, como lo son en la investigación de nano-estructuras
magnéticas, las que ya están teniendo participación importante en sensores y
almacenadores de datos. Hay una enorme cantidad de desafíos en la creación
de dispositivos nanométricos para las futuras tecnologías propuestas, como la
spintrónica.
Así entonces, desde los estudios fundamentales hasta la ciencia de los
materiales nanoestructurados, la utilización de técnicas neutrónicas ofrece
nuevas oportunidades y posibilidades experimentales. Se requiere de fuentes
intensas de neutrones para estudiar muestras usualmente muy pequeñas, ya sea
por la dificultad en obtener volúmenes mayores o por las limitaciones intrínsecas
impuestas por los equipos para configurar condiciones experimentales extremas
(p.ej. celdas de presión, hornos, crióstatos, etc.).
Fig.3.6: Dependencia
con la temperatura de
la fracción de donores
muónicos poco profundos
en
CdTe
nanocristalino, comparado
con
el
comportamiento de la
matriz.
En definitiva, las futuras tecnologías estarán basadas en nuestra
capacidad para entender y buscar las propiedades deseadas en materiales a
escalas atómicas y nanoscópicas. Los efectos cuánticos cobran importancia
decisiva a medida que nos aproximamos a estas escalas, ya sea a través de la
creación explicita de objetos a escala atómica o al reducir la dimensionalidad en
una o más direcciones, dando lugar a nuevos estados de la materia. El
entendimiento de la naturaleza de dicha “Materia Cuántica” constituye un enorme
desafío intelectual, requiriendo además el empleo y desarrollo de avanzadas
técnicas experimentales.
Instrumentos
Para esta comunidad de científicos la técnica con demanda indiscutible es
la difracción de neutrones. La difracción de polvos, en primera instancia (la
comunidad más interesada en los Haces del RA10 es la comunidad de
cristalografía) y la de monocristales en segundo lugar, dado que el alto número
de investigadores trabajando en magnetismo en films, multicapas y crecimiento
de monocristales incluso dentro de CNEA. Para estos instrumentos, no sólo la
demanda de usuarios sino también un uso inmediato de las instalaciones, están
garantizados.
Una técnica que aún no se ha utilizado tan ampliamente pero que sin
duda ganará protagonismo y demanda con el tiempo, es la técnica de SANS.
Por último, las técnicas de scattering inelástico para estudio de la
dinámica en sistemas de materia condensada y sistemas magnéticos, serán una
herramienta poderosa para el estudio en física del sólido, pero se discuten en
otra sección.
Impacto sobre la disciplina de la disponibilidad local de estas capacidades
Salvando las diferencias, puede tomarse como ejemplo el impacto que ha
tenido en la comunidad de física del sólido, en particular la de cristalografía y
nano-ciencia, el acceso a una gran instalación en un país limítrofe como Brasil,
el Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón de Campinas. Los usuarios argentinos
se constituyen hoy en una fracción importante de los usuarios totales del LNLS y
tienen el primer lugar entre los usuarios extranjeros, al punto que Argentina está
considerando su participación en el financiamiento del proyecto de mejora del
LNLS a un nuevo anillo de tercera generación, SIRIUS.
En cuanto al impacto del RA-10, su construcción en Argentina y la
garantía del libre acceso a usuarios de todo el país y de Latinoamérica, no hará
sino aumentar significativamente las capacidades experimentales en el área de
física del sólido.
3.6 Actividad Química y Movimientos Moleculares
Métodos de espectroscopía neutrónica son intensamente empleados en el
estudio de espectros moleculares de vibración de materiales. La mayoría de las
aplicaciones han sido realizadas sobre materiales hidrogénicos, explotando la
ventaja de la gran sección eficaz incoherente para neutrones. Si bien éstos
tienen la desventaja de no provenir de fuentes tan intensas como las de fotones,
las técnicas neutrónicas son muy comparables a la dispersión Raman, con la
ventaja que las intensidades de los picos pueden ser medidas y calculadas en
forma absoluta, y que la asignación de modos vibracionales puede ser hecha en
forma directa, ya que no existen reglas de selección para la dispersión de
neutrones. La información selectiva brindada por el empleo de sustitución
isotópica, juntamente con la alta resolución espacial alcanzada ya, permiten que
la dispersión de neutrones pueda comprobar de manera no ambigua modelos
detallados de estructura molecular y sus entornos locales.
El empleo de neutrones fríos ha permitido la determinación precisa de
espectros rotacionales debidos a estados correspondientes a efecto túnel
cuántico, asociados con la simetría y acoplamientos existentes. Se pueden
estudiar en detalle los efectos causados por perturbaciones debidas a presión o
desorden, y estos estudios ayudan a formar la base de conocimiento
indispensable para el entendimiento de sistemas moleculares más complejos.
El entendimiento del funcionamiento de catalizadores y otros agentes
químicos de relevancia industrial fue logrado gracias a los aportes cruciales
realizados por experimentos con neutrones. Estas técnicas permitieron identificar
la acción de hidrógenos en diferentes subunidades, proporciones relativas de las
mismas, y seguir los cambios en ellas debido a diferentes tratamientos. Otros
estudios de gran importancia son los asociados a la difusión de moléculas a
través de sólidos porosos, como las zeolitas, tan importantes en catálisis y
procesos separativos y que son determinados por experimentos de dispersión
cuasi-elástica de neutrones. Incluso cuando la difusividad de las moléculas se
reduce significativamente, como es el caso cuando el tamaño de los poros es
similar al molecular, sofisticadas técnicas neutrónicas como spin-eco permiten
medir tales muy lentos movimientos.
Las mediciones de difusión y transporte de carga en electrolitos sólidos y
líquidos y otros conductores iónicos, son de gran importancia para entender los
mecanismos de conducción. Los neutrones son muy poderosos para estudiar los
movimientos hidrogénicos (gran sección eficaz del H), por ejemplo en hidruros
metálicos utilizados en baterías y materiales almacenadores de hidrógeno, o en
conductores protónicos empleados en celdas combustibles.
Fig.3.7:
Anchos
cuasielásticos
de
energía
vs.
Intercambio de momento a
685K y los parámetros
de difusión obtenidos.
El esquema inserto
muestra el mecanismo
de hopping propuesto
para la difusión del
hidruro a lo largo del
eje a dentro de la capa
tipo
perovskita
de
LaSrCoO3H0,7
Nuestro conocimiento sobre la dinámica de materiales vítreos y amorfos
está aún en desarrollo, pero los estudios experimentales con neutrones a través
de la transición vítrea están aportado datos de gran relevancia. Experimentos de
dispersión con neutrones de más alta energía han revelado la extraordinaria
similaridad entre la densidad de estado de vidrios como sílica y el
correspondiente al estado cristalino, a pesar de la ausencia de un orden de largo
alcance.
3.7 Física Fundamental
Los estudios sobre física nuclear y de partículas contribuyen de diversas
formas a mejorar nuestro entendimiento del mundo y el universo que habitamos.
Ellos se relacionan con cuestiones asociadas desde las interacciones
fundamentales hasta la creación de los elementos químicos durante los primeros
minutos luego del Big Bang, o los catastróficos eventos cósmicos como
explosiones de supernovas millones de años después.
Ciertas investigaciones se concentran en las propiedades del mismo
neutrón, mientras que otras utilizan a los neutrones como una sonda versátil para
analizar reacciones nucleares. Muchos de estos experimentos utilizan neutrones
lentos, y muy frecuentemente neutrones fríos y ultrafríos, los cuales pueden ser
confinados en “botellas” para ser observados durante un largo tiempo.
Existen manifestaciones de la Física más allá del modelo teórico actual,
que serían detectadas como muy pequeñas violaciones de algunas simetrías
fundamentales, sean en propiedades de partículas o en algunas interacciones
particulares. En experimentos con neutrones lentos existen muchos observables
que son sensitivos a nuevos fenómenos y adecuados para mediciones de alta
precisión. Quizás el ejemplo actual más prominente es la búsqueda de un valor
no nulo del momento dipolar eléctrico del neutrón. De existir, implicaría una
violación de la simetría con respecto a la dirección del tiempo, el cual está
vinculado con una simetría entre partículas y antipartículas, la llamada simetría
CP (simetría de conjugación de carga combinada con inversión de coordenadas
espaciales).
El momento dipolar eléctrico del neutrón no es la única oportunidad para
explorar procesos violatorios de la invariancia ante inversión temporal (T), lo cual
es relevante a interacciones fundamentales que fueron primordiales durante los
primeros instantes luego del Big Bang. De acuerdo al Modelo Standard de
cosmología, después del primer segundo en la evolución del universo, la
densidad habría caído por debajo de un valor crítico para que las interacciones
débiles pudiesen mantener un equilibrio térmico entre protones y neutrones. Los
neutrones comenzaron a decaer en protón más electrón más antineutrino, sin
reconversión lo cual condujo a una reducción continua en su número. La
estabilización ocurrió cuando la temperatura del universo se redujo lo suficiente
como para que el deuterón dejara de disociarse (en neutrón y protón) como
consecuencia de la absorción de radiación gamma energética. Un conjunto de
reacciones nucleares condujo luego a la formación de elementos livianos, y así
entonces una información crucial para comprender las abundancias relativas
primordiales es la vida media del neutrón libre, por proveer una indicación directa
de la intensidad de la interacción débil causante de aquellos procesos.
Un campo completamente nuevo de investigación fundamental con
neutrones acaba de abrirse con la observación reciente de niveles cuánticos del
neutrón por encima de un espejo colocado horizontalmente en el campo
gravitatorio terrestre. Uno de los tópicos más interesantes de estudio con esta
realización experimental es la búsqueda de desviaciones de la ley de gravedad
de Newton, lo cual podría ocurrir a muy cortas distancias como consecuencia de
la hipotética existencia de dimensiones adicionales plegadas.
Fig.3.8: Intensidad de neutrones arribando al detector, en función de la altura del absorbente,
mostrando la existencia de “estados cuánticos espaciales” del neutrón creados por el
campo gravitario terrestre.
Nesvizhevsky, V. V.; Börner, H. G.; Petukhov, A. K..; Abele, H.;
Baeßler, S.; Rueß, F. J.; Stöferle, T.; Westphal, A.; Gagarski, A.
M.; Petrov, G. A.; Strelkov, A. V. Quantum States of Neutrons in
the Earth’s Gravitational Field. Nature 2002, 415, 297–299.
4. INSTALACIONES E INSTRUMENTACIÓN BÁSICAS
Se ha expresado anteriormente que el empleo de haces neutrónicos se ha
convertido ya en una poderosa herramienta de investigación y producción, en
muchos casos insustituible por su alcance y características, y que la explotación
de tal herramienta experimental constituye un objetivo y desafío constante en los
países avanzados.
Algunos de los proyectos recientes en el mundo se presentan aquí, a fin
de enfatizar los procedimientos empleados, la participación de las comunidades
interesadas y la respuesta de los organismos e instituciones involucradas.
Asimismo, se muestra a través de los casos considerados, que no debe
esperarse de los actuales ni potenciales usuarios una definición técnica de
parámetros de diseño para el reactor, o especificaciones detalladas de los
instrumentos. Las comunidades de usuarios plantean, para ello, la necesidad de
contar con expertos en instrumentación neutrónica.
Como se indica claramente en el Scientific Case del ESS [4]:
“El potencial científico de una instalación experimental (...), dependerá de los
parámetros técnicos y la configuración de ésta. Para valorar el impacto de la
fuente sobre los desafíos científicos de las diferentes disciplinas, las
oportunidades de instrumentación son de gran importancia.
(…) Por lo tanto, las demandas científicas sobre la suite de instrumentos
derivadas de cada área temática, deben discutirse en el contexto de las
oportunidades de instrumentación, que deben ser planteadas por un grupo de
expertos en instrumentación neutrónica. Los expertos en instrumentación se
basarán en una compilación de las demandas científicas hacia la fuente, y al
mismo tiempo los científicos necesitarán un conocimiento sólido sobre las
oportunidades de instrumentación y el potencial que se abre con la nueva
fuente.”
4.1 Casos recientes
A) El caso australiano: Bragg Institute
El Instituto Bragg es un laboratorio creado en el año 2000, el cual contiene
un conjunto de instrumentos para dispersión de neutrones, empleando los haces
térmicos y fríos provenientes del reactor OPAL, ubicado en Lucas Heights al sur
de Sydney, Australia
(http://www.ansto.gov.au/research/bragg_institute/About_the_Bragg_Institute)
El reactor de investigación OPAL fue construido por un consorcio liderado
por INVAP S.E., y alcanzó su primera criticidad en Noviembre de 2006. Las
características principales del OPAL se indican en la tabla abajo.
Este reactor posee un tanque reflector/moderador de agua pesada (D2O),
donde los neutrones rápidos provenientes del núcleo se moderan y termalizan,
produciendo un pico en el flujo térmico ubicado a unos 15 cm de la cara del
núcleo.
Type
Power
Open Pool, Multipurpose
20 MW (Th.)
Core
16 Fuel Assy.
Fuel
MTR Type, 21Plates, Cd BUP
Control
Neutron Flux (Th)
Redundant, 5 C.Plates + D2O dumping,
4.0E+14 n·cm-2·seg-1 (no-perturb.)
Commissioning
Year 2006
First Full Power
03/Nov/2006 (11:47)
En una posición cercana a dicho máximo en el flujo térmico, se ha
instalado una fuente fría consistente en una celda conteniendo deuterio líquido
(D2) a una temperatura cercana a los -270 °C. En este material, los neutrones se
retermalizan, emergiendo del mismo con una distribución de energía mucho más
baja que la de los neutrones térmicos. De esta manera, se obtienen los
neutrones fríos que poseen una longitud de onda asociada del orden de los
nanómetros, lo que permite estudiar con ellos grandes estructuras y dinámicas
de muy baja frecuencia. Algunas de las características principales de la fuente
fría del OPAL son las siguientes:
PARAMETER
VALUE
Moderator
Liquid Deuterium
Mod. Volume
~20 litres
Cryogenic Cap.
5000 W
Mod. Cooling
Natural Circulat. – D Thermosiphon / He
2
cooled
D Flow Rate
100 gr/sec
Mean D T in Cell
23 K
Mean Øc in Cell
7.4E+13 n.cm .sec
Operation Modes
Normal / Stand-by / Halt
2
2
-2
-1
Del reactor emergen un haz frío y uno térmico, cada uno de ellos
conteniendo tres guías de neutrones (CG1-CG3 y TG1-TG3 respectivamente),
las cuales permiten transportarlos sobre distancias de decenas de metros a una
Sala de Guías. Simétricamente ubicados sobre el lado opuesto del reactor,
existen otros dos haces, térmico y frío.
Fig.4.1: Tubos de extracción de haces del reactor OPAL: los dos superiores son de haces
térmicos (3 guías c/u) y los dos inferiores son haces fríos (3 guías c/u) emergiendo de la fuente
fría.
Fig.4.2: Sala de Guías del OPAL/Bragg Institute, mostrando las guías de neutrones fríos (CG1CG3) y las de los térmicos (TG1-TG3).
Los instrumentos que emplean haces de neutrones térmicos o fríos se
instalan sobre las correspondientes guías, pudiendo cada una de ellas
alimentar a más de un instrumento. La selección de los mismos fue el resultado
del relevamiento, análisis y priorización de los intereses de las diferentes
Difracción de pequeño
ángulo


Difracción de polvos


Scattering inelástico


Difracción monocrist.

Reflectometría

Neutrones polarizados
Spin eco





















Física fundamental
Ingeniería
Tierra y ambiente
Biología y
biotecnología
Cs de materiales
Polímeros y materia
blanda
Técnica
Liquidos y amorfos
Area
Materia condensada
comunidades de investigadores, en un proceso coordinado y de alcance
nacional.





Radio/Tomografía
Tabla 4.1: Matriz de instrumentos correspondientes al perfil de CyT australiano.
Emergió de tal proceso el conjunto siguiente de instrumentos de la más
alta prioridad:
Difractómetro de Alta Resolución
Difractómetro de Alta Intensidad
Difractómetro p/ Tensiones Residuales
Difractómetro de monocristales
Espectrómetro Triple Eje Térmico
Difractómetro de Pequeño Ángulo
Reflectómetro
(Echidna)
(Wombat)
(Kowari)
(Koala)
(Taipan)
(Quokka)
(Platypus)
Y quedaron también definidos otros cinco instrumentos de alta prioridad, los
cuales se encuentran ya en etapa de montaje o construcción. La distribución de
todos estos instrumentos en la Sala de Guías y en el Hall del reactor se muestra
en el gráfico.
Fig.4.3: Diagrama de la distribución de instrumentos en el Reactor OPAL/Bragg Institute
B) El caso canadiense: Canadian Institute for Neutron Scattering
La comunidad canadiense de usuarios de haces de neutrons está
organizada en el Canadian Institute for Neutron Scattering (CINS). Esta
organización, formada en 1989, tiene ahora más de 400 miembros, provenientes
de la academia, la industria, laboratorios gubernamentales e instituciones
extranjeras. Los investigadores y estudiantes canadienses que emplean técnicas
neutrónicas trabajan en más de 50 departamentos pertenecientes a más de 20
universidades distribuidas en todo el país.
Esta comunidad tiene una larga y distinguida historia en lo referido al
desarrollo y empleo de haces de neutrones. En 1994 el investigador canadiense
Prof. Bertram Brockhouse recibió el Premio Nobel en Física por haber introducido
el método de la dispersión de neutrones para estudiar los estados internos de
energía de los materiales sólidos. Su espectrómetro de tres ejes, desarrollado en
Chalk River en los años 60s, ha sido replicado en todos los centros de scattering
de neutrones en todo el mundo, y continúa sirviendo como un instrumento
primario para explorar las fronteras de la física de la materia condensada.
En el documento Planning to 2050 for Materials Research with Neutron
Beams in Canada, CINS presentó una propuesta para el establecimiento de un
Centro Canadiense de Neutrones (Canadian Neutron Centre, CNC) de clase
mundial, el cual permitirá proyectar y expandir las misiones del antiguo reactor
NRU al año 2050. Del aprendizaje obtenido en 50 años con los reactores NRX y
NRU y de la experiencia en fuentes extranjeras, la comunidad de usuarios de
neutrones canadiense está bien ubicada para plantear los requerimientos por
una instalación que incremente la excelencia y liderazgo en la red mundial de
laboratorios. Por supuesto, el nuevo CNC deberá incluir al menos una fuente fría
de neutrones y un conjunto de instrumentos que, empleando neutrones fríos,
permita estudios en materiales blandos y nanotecnología.
De acuerdo a la propuesta de CINS, el reactor que será la pieza central
del nuevo Canadian Neutron Centre tendrá características como las indicadas:
Tabla 4.2: Parámetros de diseño para el nuevo reactor de investigación del Canadian Neutron
Centre.
Según el relevamiento realizado entre los miembros del CINS, surgió la
siguiente matriz de instrumentos y sus prioridades:
Magnetismo y
materials cuánticos
Superficies y
Películas delgadas
Biofísica
Ciencia de Polímeros
Química structural
Cs de la Tierra
Ingeniería
Técnica
Cs de materiales
Area

Espectr. 3 ejes
○
○
Espectr. (Q,w)
○
○
○

○
○
○

Espectr. Alta Resol.
○
Difractom. Especial.

○
Difractom. polvos


Analizador Tensiones


Imagenes tiempo real


Difractom peq. Áng.

○
Reflectómetro
○
○

○
○


○

○


○
○
○



○
Tabla 4.3: Matriz de instrumentos correspondientes al perfil de CyT canadiense.
De donde se extrajo el conjunto de instrumentos priorizados por CINS:
Table 4.4: Instrumentos propuestos para el Canadian Neutron Scattering Centre.
4.2 El caso argentino: Reactor RA-10 y Laboratorio de haces
El presente Anteproyecto expresa la propuesta de utilización de los haces
de neutrones del Reactor RA-10. Como se indica en el Anexo I a la resolución
200/10 de la Presidencia de CNEA, una de las justificaciones para este reactor
es alcanzar nuevas capacidades de investigación basadas en el uso de técnicas
neutrónicas avanzadas con el empleo de neutrones térmicos y fríos.
Los parámetros básicos de diseño del RA-10 son los siguientes:
•
Instalación multipropósito: producción de radioisótopos, irradiación
de materiales y combustibles, haces de neutrones, producción de
silicio
•
Pileta abierta
•
Potencia 30 MW
•
Combustible de bajo enriquecimiento, tipo placa
•
Reflector D2O
•
Moderador – refrigerante H2O
•
Dirección del caudal en el núcleo ascendente
En lo que respecta a la fuente fría y los haces que emergerán del reactor
fueron establecidos en la etapa de diseño conceptual según el siguiente
esquema:
Neut. Fríos
TQREF
ORI
Sala de Guías
HAZF#2
NTD#1
HAZF#1
Mo
FTEFRI
NTD#3
Ir/Lu
NTD#2
NTD#4
NUC
Hall
Neut. Térm.
HAZT#1
HAZT#2
PV
LOOP
NTD#5
HAZGR
PIIN x12
PRE
Fig.4.4: Esquema de Internos del Reactor RA-10, mostrando fuente fría y haces.
Existen dos haces térmicos (HAZT#1 y HAZT#2) casi colineales que
emergen de una posición de alto flujo térmico en cercanías del núcleo, y dos
haces fríos (HAZF#1 y HAZF#2) que emergen de la fuente fría (FTEFRI) de
neutrones. Un haz térmico y uno frío se desplegarán hacia una Sala de Guías,
mientras que los otros dos llegan hasta el Hall del reactor.
Si bien este diagrama puede sufrir modificaciones durante la etapa de
ingeniería básica, la disposición de los componentes asociados a las misiones
principales del reactor
1) Producción de Radioisótopos (Mo, Ir, Lu, otros)
2) Irradiación de Materiales y Combustibles Nucleares (loop)
3) Haces de neutrones térmicos y fríos para investigación
serán seguramente similares a las indicadas.
La misión 3, en cuanto a la concepción, fundamentación y propuesta de un
laboratorio y un programa de utilización del mismo, se formula en el siguiente
Capítulo.
5. LABORATORIO ARGENTINO DE TÉCNICAS DE
INVESTIGACIÓN NEUTRÓNICAS AVANZADAS
LATINA: Fundamentación, Aspectos Técnicos y Utilización
En este Capítulo se plantea la propuesta concreta de un Laboratorio
que utilice los haces de neutrones provenientes del Reactor RA-10, que
contendrá el conjunto de instrumentos y la infraestructura asociada para
que nuestras comunidades de CyT puedan explotar plenamente estas
poderosas herramientas experimentales.
Se describen sucintamente y se analizan los resultados preliminares
emergentes de los requerimientos planteados por investigadores argentinos.
Sobre esta base se propone:
a) un conjunto básico de instrumentos para atender tales requerimientos,
indicándose asimismo
b) aquéllos que se consideran prioritarios desde el punto de vista de la
intensidad de su demanda, y que deberían ser parte del conjunto inicial,
c) la característica espectral (neutrones térmicos o fríos) de cada haz sobre
el cual se instalarán tales instrumentos,
d) las características de intensidad (flujos) neutrónica mínima de los haces
de neutrones en las diferentes guías, para asegurar la eficiencia y
productividad de los instrumentos,
e) la geometría y distribución de las guías de neutrones térmicos y fríos,
f) la configuración espacial básica del laboratorio que contendrá los
instrumentos e infraestructura indicados,
g) la definición y ejecución de un Plan de Formación de Recursos Humanos
y dotación del laboratorio.
La información aquí contenida expresa el resultado de los análisis y
discusiones realizados por investigadores representativos de una amplia gama
de tales disciplinas de nuestro país, sobre la existencia de un Laboratorio
Nacional para la utilización de haces de neutrones provenientes del Reactor de
Investigación RA-10, y las conclusiones emergentes acerca del impacto que
dicha utilización podrá tener sobre la proyección de estas actividades a nivel
nacional y regional.
5.1 Fuente Fría
Un reactor nuclear diseñado para producir haces intensos de neutrones
para investigación posee típicamente un tanque que rodea al núcleo, lleno con
agua pesada (D2O). Los neutrones producidos por fisión en el núcleo
intercambian allí energía con esas moléculas, reduciendo la suya hasta alcanzar
una distribución caracterizada por una energía de alrededor de 25 meV,
equivalente a unos 20°C ( 300K) de temperatura. Por esa razón, a esos
neutrones se los denomina “térmicos” por cuanto están en equilibrio
termodinámico con el material moderador el cual se halla a su vez a temperatura
ambiente.
Si los neutrones térmicos ingresaran a un medio con temperatura
diferente, ellos se retermalizarán hasta que la distribución de sus energías se
equilibre con la del medio. En particular, si el medio retermalizante se encuentra
a una temperatura muy baja, digamos unas 15 veces menor o sea a unos 20K,
los neutrones allí retermalizados tendrán energías muy bajas, y se denominan
“neutrones fríos”.
Fig. 5.1: Esquema del núcleo del reactor y posición de la fuente fría.
Para satisfacer un gran número de aplicaciones científicas y tecnológicas
actuales, es altamente conveniente disponer de un flujo intenso de neutrones
fríos, por lo cual toda fuente moderna posee al menos una fuente de neutrones
fríos, o como se la denomina usualmente una “fuente fría”.
Los neutrones fríos son muy útiles para estudiar fenómenos que
involucran movimientos atómicos muy lentos o de muy baja energía. Por otra
parte, la longitud de onda asociada de tales neutrones es del orden del
nanómetro o mayor, lo cual los hace muy aptos para estudiar objetos de esa
escala, como polímeros, proteínas, membranas, defectos en metales, vórtices de
flujo en superconductores, etc.
La inclusión de una fuente fría en el RA-10, para proveer haces intensos
de neutrones de longitudes de onda en el rango nanométrico y mayores, ha
quedado reflejada con énfasis en los requerimientos básicos formulados por los
grupos argentinos, expresada de manera explícita a través de la matriz de
instrumentos propuestos por diferentes disciplinas.
0.30
() = (E). |dE/d|
0.25
 ( )
0.20
300
Temp 100
(°K)
0.15
35
25
0.10
0.05
0.00
0
5
10
15
(A)
45
100/300
35/300
25/300
40
Ganancia: T/
35
30
25
20
15
10
5
0
-5
0
5
10
15
20
(A)
25
30
35
40
La fuente fría es un dispositivo
decisivo para determinar las
capacidades de la instalación en
cuanto a la producción de un flujo
intenso de neutrones fríos. Por
esta razón, y más allá de la
decisión ya tomada de emplear
deuterio líquido como moderador
criogénico, la fuente fría debería
ser optimizada en cuanto a
volumen, geometría y posición
respecto al núcleo, a fin de
maximizar el flujo de neutrones
fríos en las respectivas guías, a la
vez que manteniendo un valor
razonable de la potencia de
enfriamiento
necesaria
para
remover el calentamiento nuclear
del
dispositivo.
Es
natural
considerar al sistema de la fuente
fría instalada en el reactor OPAL
como sistema de referencia,
buscando incluso mejorar algunas
de sus prestaciones considerando
la mayor densidad de potencia del
RA-10
respecto
al
reactor
australiano.
Fig.5.2: Flujos y ganancias neutrónicas producidos por fuentes frías en función de la temperat.
Debido a sus características dinámicas, el deuterio liquido es un material
moderador capaz de producir un espectro de neutrones muy frío a partir de la
retermalización de neutrones térmicos. Efectos isotópicos producen en este
material modos de excitación con frecuencias más bajas que en el hidrógeno
líquido, dando origen a espectros más fríos y de allí su preferencia para ser
utilizado como moderador en fuentes frías de alta performance. Sin embargo, al
ser la sección eficaz macroscópica del deuterio líquido (orto y para,  20K) tan
pequeña para neutrones térmicos y subtérmicos, el camino libre medio de éstos
es muy grande en dicho material, lo que indica cuán transparente es el D 2 frente
a D2O y la necesidad que la fuente fría tenga las dimensiones necesarias para
asegurar una retermalización eficiente.
En esas condiciones, las capacidades del reactor RA-10 en cuanto a
densidad de potencia y flujo térmico esperable permitirán instalar y operar
una de las mejores fuentes frías para proveer flujos de neutrones fríos del
más alto nivel mundial.
Unidad
ILL
Francia
FRM-II
Alemania
OPAL
Australia
RA-10
Argentina
Potencia nominal
MW
57
20
20
30
Enriquecimiento U235
%
93
93
20
20
Max.flujo térmico no pert
cm-2s-1
1,5.1015
6.1014
4.1014
3.1014
CN Flujo prom. en FF
cm-2s-1
4.1014
1.1014
0,8.1014
~1.1014
Distancia núcleo (e/ejes)
mm
760
400
500
550
Tamaño celda FF
mm
360
300x240
300x350
Volumen moder./ insert
litros
24 / 4.5
16 / 6
20 / 5
Material celda moder.
%
Al (99.5)
Al 6061
AlMg5
Espesor pared moder.
mm
1.8
1.0
1.2
Fluido moderador
liquido
D2
D2+(5%) H2
D2
D2
Temperatura moder.
K
25
25
23
23
Potencia refrigeración
W
6000
4500
4400
~4000
18 / 0
Tabla 5.1: Parámetros característicos de algunas de las mejores fuentes frías del mundo.
En el cuadro anterior se indican las características principales de las
fuentes frías instaladas en los reactores más importantes en cuanto a la
utilización de haces de neutrones en investigación.
5.2 Los haces de neutrones
Con relación a los haces de neutrones, y teniendo presente el número
esperable de instrumentos a ser instalados en el laboratorio, sobre la base del
tamaño actual y proyectado de la comunidad nacional y regional de usuarios de
estas técnicas, se propone que cada haz soporte dos guías de neutrones, tanto
en el caso térmico como frío, pero de mayor dimensión lateral (70mm) que las
tres guías (50mm) por haz instaladas en OPAL/Bragg Institute. Esta propuesta se
basa en la premisa de disponer de un número menor de instrumentos que
en el OPAL, pero de mayor performance.
Por supuesto, tanto para los neutrones fríos como para los térmicos, se
deberán utilizar guías curvas para transporte eficiente de neutrones, a fin de
evitar la visión directa de las ventanas de entrada sobre distancias no superiores
al sistema de referencia. La disposición básica de las guías será
Fig. 5.3: Esquema propuesto de distribución de guías de neutrones en LATINA.
y sus características principales deberán ser similares a las que se indican a
continuación, entendiéndose que las especificaciones detalladas y finales
quedarán definidas en función de la fuente fría que se instale en el RA-10. El
gráfico siguiente muestra la variación de la reflectividad de las guías en función
del parámetro m que caracteriza al superespejo depositado en sus caras.
Fig. 5.4: Reflectividad de diferentes tipos de guías de neutrones.
Tabla 5.2: Parámetros característicos de las guías térmicas propuestas para LATINA.
Tabla 5.3: Parámetros característicos de las guías frías propuestas para LATINA.
GF 3/4
GT 3/4
Fig. 5.5: Esquema propuesto de los haces de neutrones emergentes del reflector.
Los ángulos entre haces de neutrones serán fijados con precisión en la
definición de la ingeniería básica, pero serán de aprox. 18° entre los haces de la
Sala de Guías y de alrededor de 45° entre los que se dirigen al Hall del reactor.
Teniendo presente la mayor densidad de potencia que tendrá el RA-10
respecto al reactor de referencia (OPAL), la prestación esperable de su fuente
fría, la similaridad de la configuración de haces, y los valores medidos en la
instalación australiana, se proponen los siguientes valores de flujo neutrónico a
ser alcanzados o superados en la instalación argentina:
OPAL
RA-10
Flujos medidos
(20MW, 2007-8)
(n/cm2/seg)
Flujos Requeridos
(30MW)
2
(n/cm /seg)
Ubicación Guía & energía
(cr: cara del reactor)
(sg: sala de guías)
2
FLUJOS (n/cm /seg)
TG1 flujo térmico en sg [1]
9
3.3 x 10
9
3.5 x 109
TG2 flujo térmico en sg [1]
2.8 x 10
(TG3)
TG3 flujo térmico en cr [1]
4.0 x 1010
(TG4)
CG1 flujo frío en sg
[2]
5.9 x 109
CG2 flujo frío en sg
[2]
9
6.4 x 10
(CG3)
CG3 flujo frío en cr
[2]
2.5 x 1010
(CG4)
[1] E < 100 meV;
5.0 x 1010
7.0 x 109
3.0 x 1010
[2] E < 10 meV
Tabla 5.4: Flujos de neutrones requeridos en diferentes guías y posiciones.
5.3 Los Instrumentos y su ubicación
En cuanto a los instrumentos de scattering, y a partir de la información
acumulada por nuestro propio grupo, tanto en lo
concerniente a los
requerimientos de instalaciones extranjeras por parte de investigadores
argentinos (1er Workshop Argentino sobre Haces de Neutrones para
Investigación - Centro Atómico Constituyentes, 13 y 14 de Junio de 2011), y de
los resultados preliminares emergentes de los requerimientos planteados por
estos investigadores, surge la matriz Area/Instrumentos que se muestra.
Muy especialmente en el caso de los difractómetros, la opción de análisis
magnético del haz debe existir, como así también la capacidad local para
deuteración de muestras.
Física Materia
Condensada


Difracción de Alta Res





Difracción de Alta Int




Espectrom. Térmico
Espectrom. Frío

Reflectometría













Difract. Tensiones Res

Neutrografía
Transmisión Fría


Difracción monocrist
Física fundam.
Biología y
Bioquímica

Act. Quimica y
Mov. molecul.
Cs. de materiales
e Ingeniería

Materia Blanda

Técnica
Físico Química
Estructural
Difracción de p. ángulo
Area





Tabla 5.5: Matriz de instrumentos preliminares correspondientes al perfil de CyT argentino..
Sobre la base de la matriz anterior, y el peso específico de algunos
instrumentos de particular interés p.ej. para sectores tecnológicos e industriales
(neutrografía, difractóm. tensiones), consideramos que un conjunto básico de
técnicas neutrónicas con inmediato alto impacto en las comunidades de CyT
nacional y regional, son las representadas por los siguientes instrumentos:
Difractómetro de Polvos de Alta Resolución
(guía térmica)
Difractómetro de Neutrones a Pequeño Angulo
(guía fría)
Espectrómetro de Triple Eje Frío
(guía fría)
Reflectómetro
(guía fría)
Difractómetro Analizador de Tensiones
(guía térmica)
Difractómetro de Polvos de Alta Intensidad
(Hall, térmico)
Tomógrafo/Neutrógrafo
(Hall, frío)
Otros instrumentos que también son propuestos con prioridad importante
son:
Espectrómetro de Triple Eje Térmico
(Hall, térmico)
Difractómetro de Mono Cristales
(guía fría)
Transmisión (+ línea desarrollo)
(Hall, frio)
Los instrumentos se instalarán mayoritariamente en la Sala de Guías:
GT2
GF2
GT1
GF1
Sala de Guías
Fig.5.6: Distribución propuesta de guías e instrumentos en la Sala de Guías.
En vista del alto flujo requerido por ciertos instrumentos es necesario
ubicar a los mismos a la salida de los haces GF 3/4 y GT 3/4 en el hall del
reactor, según el esquema que se indica:
Hall del Reactor
CG 3/4
TG 3/4
Fig.5.7: Distribución propuesta de guías e instrumentos en el Hall del reactor.
Los instrumentos predeterminados para la primera fase de LATINA
son los arriba indicados, tanto en sus prestaciones como en cuanto a su
disposición física. Dichos instrumentos serán especificados en detalle con la
participación de las comunidades que los proponen, y su financiamiento
promovido y gestionado por ellas ante los ámbitos pertinentes.
DISTRIBUCIÓN DE INSTRUMENTOS BÁSICOS
SANS
Reflect
Espectr
TQREF
ORI
HAZF#2
NTD#1
HAZF#1
Mo
FTEFRI
NTD#3
Ir/Lu
NTD#2
Difract AR
Difract Tens
Difract MonoC
Neutrogr
Transm
NTD#4
NUC
HAZT#1
HAZT#2
PV
LOOP
Difract AI
Espectr térm
NTD#5
HAZGR
PRE
PIIN x12
(+ hornos, crióstatos, polarizadores, imanes, c. de presión, etc)
Fig. 5.8: Conjunto básico de instrumentos propuestos, sobre guías térmicas y frías.
DISTRIBUCIÓN DE INSTRUMENTOS INICIALES
SANS
Reflect
Espectr
TQREF
ORI
HAZF#2
NTD#1
HAZF#1
Mo
FTEFRI
NTD#3
Ir/Lu
NTD#2
Difract AR
Difract Tens
Difract MonoC
Neutrogr
Transm
NTD#4
NUC
HAZT#1
HAZT#2
PV
Difract AI
Espectr térm
LOOP
NTD#5
HAZGR
PIIN x12
PRE
(+ hornos, crióstatos, polarizadores, imanes, c. de presión, etc)
Fig. 5.9: Conjunto inicial de instrumentos propuestos, sobre guías térmicas y frías.
5.4 Proyección del crecimiento de la comunidad de usuarios
Se ha presentado en el Capítulo 2 de este documento, un diagnóstico de
la situación actual respecto del uso de neutrones para investigación. A fin de
ejemplificar las posibilidades de crecimiento que esta comunidad pueda adquirir
con la concreción del Proyecto LATINA, presentamos a continuación tres casos
de estudio:
La evolución de la comunidad científica y su producción en técnicas
neutrónicas en España, que en 1987 adoptó una serie de medidas para apoyar
estas técnicas (pero sin construir su propio reactor de investigación).
La evolución de la comunidad científica y su producción asociada a
técnicas de radiación sincrotrón en el Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón
(LNLS) de Brasil.
La evolución incipiente de la comunidad de usuarios argentinos en el
LNLS de Brasil.
Caso 1: España [7]
En el año 1987, España se incorporó como miembro científico al ILL
(Instituto Laue-Langevin) y creó además una “Comisión de Usuarios” como
órgano consultivo y de asesoramiento del Gobierno de España sobre la
Fig. 5.10: Evolución de la producción científica española en técnicas neutrónicas.
En amarillo se distingue la producción de investigadores españoles trabajando
fuera de España.
disciplina de Técnicas Neutrónicas.
Los “investigadores frecuentes” en el área (aquellos co-autores de al
menos 5 publicaciones), se incrementaron desde 2 antes de 1990 hasta más
de 200 en 2006. A partir de 2004-2005, España también comenzó a participar
de la fuente de neutrones en el Reino Unido, ISIS. Al año 2006, España estaba
en la 8va posición mundial, 6ta en el ranking de citas por documento en la
temática de técnicas neutrónicas entre los 20 países más activos del área.
Fig. 5.11: Evolución del número de publicaciones españolas en
técnicas neutrónicas por cuatrienios. Entre 1977 y 2006 España
publicó 2122 artículos.
Fig. 5.12: Evolución por quinquenios del número de investigadores
co-autores de al menos 5 trabajos en el área de Técnicas Neutrónicas.
Caso 2: Brasil – Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón [8]
En 1983 Brasil designó un Comité Ejecutivo para el Proyecto de
Radiación Sinctrotrón y al año siguiente, un Consejo Científico Técnico. El
Laboratorio Nacional de Radiación Sincrotrón se creó el 5 de Diciembre de
1984. En ese momento, se enviaron 4 investigadores a la Universidad de
Stanford para diseñar el proyecto del anillo. Regresaron con una propuesta de
una máquina de 2GeV que luego fue re-dimensionada a 1.15 GeV. En 1987 se
renombró Laboratorio Nacional de Luz Sincotrón (LNLS). Contaba con 26
empleados (físicos, ingenieros y técnicos). En 1990 se mudaron al campus que
actualmente ocupa el LNLS, que estuvo operativo en el año 1997.
En el año 2010, tras de 13 años de operación, 2716 usuarios enviaron
526 propuestas de experimentos, 432 de investigadores Brasileros y 97
extranjeros (la mayor parte, Argentinos) contando con 14 instrumentos y casi
4000 horas de tiempo de haz. Se publicaron 253 trabajos en 2010, el 10% en
revistas con factor de impacto mayor a 5.
Fig. 5.13: Propuestas anuales ejecutadas en el LNLS desde 1998 a 2010.
Caso 3: Usuarios argentinos en el Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón
[9]
Número de publicaciones de investigadores argentinos en relación al
uso de radiación sincrotrón, a mediados del año 2011.
De acuerdo a la información presentada en la Sec. 2.2, es razonable
estimar que existen en la actualidad en nuestro país alrededor de 25
investigadores frecuentes respecto a la utilización de técnicas neutrónicas, sobre
un conjunto de alrededor de 80 investigadores que han empleado estas técnicas
en alguna ocasión. Estos usuarios han venido proponiendo en los últimos años
alrededor de 10-15 experimentos/año en instalaciones extranjeras
(particularmente ILL y ISIS), y 30 experimentos en la última convocatoria del ILL
ante la expectativa de un acuerdo con ese instituto para facilitar el acceso de
investigadores argentinos a su instrumentación.
A partir de la situación arriba descripta, y considerando los casos antes
mencionados, es de esperar un crecimiento paulatino de la comunidad de
usuarios argentinos correlacionado con la puesta en operación de los
instrumentos de LATINA. Cuando el conjunto básico de siete instrumentos
identificados en la Sec. 5.3 estén disponibles, una estimación razonable indica
que alrededor de 200-250 experimentos/año serían propuestos inicialmente,
superando probablemente los 300 experimentos/año cuando se alcance
desarrollo pleno de las instalaciones experimentales. La participación esperable
de investigadores provenientes de otros países de la región habrá de
incrementar las cifras indicadas.
En definitiva, una vez completada la fase de instalación del conjunto
básico de instrumentos de LATINA, es de esperar que más de 1000
investigadores estén proponiendo experimentos, con una demanda de alrededor
de 1000 días de haz por año. El logro de estos rendimientos dependerá
crucialmente de la ejecución de un plan de promoción y formación de usuarios,
tal como se formula en el Cap.6.
6. LABORATORIO ARGENTINO DE TÉCNICAS DE
INVESTIGACIÓN NEUTRÓNICAS AVANZADAS
LATINA: Cronogramas y Presupuestos
En este Capítulo presentamos los requerimientos de inversión y
cronogramas que consideran las erogaciones relacionadas con el equipamiento
involucrado directamente en el laboratorio LATINA, el equipamiento auxiliar
necesario para preparar y controlar las condiciones externas de las muestras, y
los recursos humanos asociados.
6.1 Formación e Integración de Recursos Humanos
Más allá de la satisfacción de los requerimientos materiales, el éxito del
Proyecto LATINA dependerá crucialmente de la convergencia de los recursos
humanos necesarios y su conformación en un equipo de trabajo eficiente. Es
absolutamente imperativo prever las acciones tendientes a una adecuada
capacitación del personal científico que constituirá a la vez el embrión y
esqueleto del nuevo Laboratorio Nacional.
Con relación al personal asignado al Laboratorio LATINA, hemos
considerado personal directivo, personal directamente involucrado en la
operación del laboratorio (Instrument Scientists y Técnicos) y personal
administrativo necesario. Se propone específicamente un programa de formación
del personal calificado y un plan de promoción de usuarios.
En cuanto al personal especializado, se consideró un staff de 3 personas
(dos investigadores responsables y un técnico) a cargo de cada instrumento. Se
propone que los investigadores responsables tengan la posibilidad de acceder a
una formación de 2 años en un laboratorio extranjero que posea equipamiento
similar al que operarán.
El perfil de candidatos será el de profesionales jóvenes, de formación afín
a la técnica en cuestión, que hayan alcanzado el grado máximo en el caso de los
“instrument scientists”. Una estadía de dos años les permitirá interiorizarse no
sólo de los aspectos técnicos y de performance de los equipos sino además,
obtener una visión global de las aplicaciones que esa técnica permite a nivel
internacional. La evolución del gasto en este ítem se dará de acuerdo a la
progresiva incorporación de nuevos instrumentos.
Deberá implementarse un mecanismo de seguimiento de avance mutuo,
entre los investigadores en formación y los coordinadores del Proyecto LATINA,
a fin de captar la información y experiencia que aquéllos vayan adquiriendo en
beneficio de la instrumentación del nuevo Laboratorio.
La formación y promoción de usuarios es un punto que requiere una
acción inmediata, ya que es fundamental en las instancias previas a la puesta en
marcha del LATINA, y su razón de ser en tanto utilización eficiente e intensa de
sus herramientas experimentales.
Se consideró que para consolidar una comunidad de usuarios activos que
demanden acceso a las instalaciones consideradas en los puntos precedentes,
es necesario establecer un plan de acción que incluya al menos dos aspectos:
(i)
la generación de un Programa de Apoyo a usuarios de fuentes
de neutrones en el mundo, que consigan tiempo de haz
mediante colaboraciones científicas.
(ii)
la firma de convenios con otros laboratorios de neutrones en el
exterior, que garantice un tiempo mínimo de haz sostenido en el
tiempo durante los años que dure la construcción del reactor.
Uno de ellos es el convenio propuesto de asociación al ILL
presentado ante el Ministerio de Ciencia, Tecnología e
Innovación Productiva (G. Aurelio y G. Cuello, 2011). Allí se
considera la compra de 20 días de haz al año (0.5% del tiempo
total de haz que ofrece el ILL), la financiación completa de 2
investigadores por propuesta aprobada, la financiación de 1 tesis
doctoral al año y la posibilidad de recibir técnicos para formarse
en el ILL. Otro es el convenio propuesto con el Bragg Institute
asociado al Reactor OPAL en Australia (R. Granada, 2005),
donde se ofrece acceso a tiempo experimental abierto a
propuesta aprobada y cobertura de gastos de subsistencia para
los investigadores argentinos por parte de la contraparte
australiana.
En cuanto al personal del Laboratorio, se propone la existencia de un
Directorio con representación de los actores institucionales involucrados, de un
Director Ejecutivo designado por aquél, y un equipo de científicos “senior” que
tendrían las siguientes funciones:
 Analizar y proyectar necesidades futuras del laboratorio en base a
requerimientos de usuarios y al “feedback” obtenido de los responsables
de instrumentos,
 Supervisar el funcionamiento global de los instrumentos,
 Coordinar los jurados de propuestas,
 Oficiar de nexo con la comunidad de usuarios y otras instituciones de CyT.
Consideramos que es beneficioso que este grupo de Investigadores
Senior esté formado por investigadores de varias instituciones del país, que no
se incorporen a un plantel permanente sino que sean adscriptos al Laboratorio
LATINA por períodos de tiempo de 3 años, y que continúen durante ese tiempo
sus líneas de investigación propias haciendo uso intensivo de las facilidades del
LATINA. Estos científicos no deben ser necesariamente expertos en las técnicas
neutrónicas (para tal fin están los científicos de instrumento) sino especialistas
en diferentes disciplinas que puedan hacer uso de tales técnicas.
6.2 Equipamiento
En esta sección mostraremos un desglose temporal de la inversión
necesaria para instalar los instrumentos que han surgido como necesarios a
partir del relevamiento de la comunidad actual de usuarios, y que hemos
presentado en el Capítulo 5.
Los costos y tiempos característicos de instalación de cada equipo fueron
obtenidos mediante consultas a varios laboratorios de neutrones del mundo, y se
presentan a modo de estimación realista. La ubicación del segmento temporal
asociado a los diferentes instrumentos se muestra en la Fig. 6.1, y responde a
prioridades planteadas por usuarios de los mismos, conjuntamente con nuestra
convicción de intereses de grupos propios de CNEA. La hipótesis subyacente en
la distribución temporal indicada es la existencia de al menos un instrumento
operativo para la puesta a crítico del RA-10, y tres instrumentos operativos para
cuando el reactor alcance plena potencia.
Fig. 6.1: Cronograma de instalación de instrumentos primarios y formación de RRHH.
Para distribuir temporalmente el gasto, se consideraron 3 etapas de
instalación:

Diseño y definición de especificaciones del instrumento: en esta etapa los
investigadores involucrados en cada equipo, en conjunto con la comunidad de
usuarios interesada en esa técnica, se reunirán con expertos de laboratorios
mundiales de reconocida trayectoria, y determinarán las especificaciones del
instrumento más apropiadas para los intereses locales, buscarán opciones de
proveedores y dictaminarán cuál es la conveniente. Esta etapa tendrá una
duración estimada de 1 año, durante el cual se prevé la organización de 1
workshop por cada instrumento y la asistencia de un promedio de 30 personas y
3 especialistas del extranjero; así como reuniones de trabajo entre los
responsables del proyecto de cada instrumento.

Construcción: Una vez determinado el proveedor se procederá a su
contratación para la construcción del mismo. Consideramos que, en lo posible,
debería promoverse la participación nacional en la construcción de ciertas partes
y en la integración del conjunto, en oposición a compras ´llave en mano´. Esta
etapa tendrá una duración variable de entre 3 y 5 años dependiendo del equipo
considerado, durante los cuales se erogará la mayor parte del costo del mismo.
Durante esta etapa estarían regresando al país los investigadores y técnicos que
hayan sido enviados a formarse en la técnica específica.

Montaje, alineación y tests: esta etapa deberá comenzar una vez que los
edificios del reactor y salas experimentales están concluidos, y pronto al
comienzo de operación del reactor. Por lo tanto, es un limitante en cuanto al
tiempo. Aquí se consideró la inversión destinada a los costos demandados para
montajes y pruebas, y también los requeridos por las instalaciones (blindajes,
superficies, tendido de líneas, gases, etc.)
Adicionalmente consideramos un costo para el equipamiento auxiliar
necesario para todo el laboratorio, ya que la experiencia mundial muestra que
tan importante como la calidad de los instrumentos es la versatilidad para variar
las condiciones experimentales. Este ítem contempla no sólo equipamiento para
modificar las condiciones de las muestras (crióstatos, hornos, imanes adaptados
a condiciones de operación bajo radiación), sino también talleres de reparación,
salas de preparación de muestras (equipadas con balanza, campana de
extracción de gases y partículas, lupas, etc) y accesorios para manipulación de
muestras irradiadas, entre otros. Está asimismo incluida la adquisición y montaje
de un difractómetro de Rayos-X moderno, con adecuadas capacidades de
caracterización y orientación de muestras. Excepto este último rubro, la
distribución de la erogación de este gasto es gradual, y a medida que aumente el
número de instrumentos operativos se irá incrementando hasta su
completamiento.
En los gráficos siguientes se presenta la inversión desglosada en años
según surge del análisis precedente. En la Tabla 6.1 se muestra la inversión
necesaria en cada año desglosada por tarea y por rubro, la cual se esquematiza
en la Fig.6.2. Finalmente en la Fig.6.3 se presenta la inversión total acumulada.
La estimación fue hecha suponiendo la instalación de siete instrumentos
finalizada para 2022.
Distribución anual de inversión
Formación RRHH
Sueldo de 3 personas
(40,000 USD anuales * 2
años). Total: 10
Etapa 1
Formación usuarios
Etapa 1
Difractómetro A
Etapa 1
Especificaciones y
diseño conceptual
Etapa 2
Construcción
Etapa 3
Montaje, alineación y
testeo
2013
2014
2015
2016
2017
2018
2019
60.000 USD
120.000 USD
120.000 USD
120.000 USD
120.000 USD
140.000 USD
120.000 USD
2013
2014
2015
2016
2017
2018
500.000 USD
500.000 USD
500.000 USD
500.000 USD
500.000 USD
500.000 USD
2013
2014
2015
2016
2017
2018
1.200.000 USD
2.000.000 USD
900.000 USD
0
0
2013
Etapa 1
Especificaciones y
diseño conceptual
Etapa 2
Construcción
Etapa 3
Montaje, alineación y
testeo
2014
Especificaciones y
diseño conceptual
Construcción
Etapa 3
Montaje, alineación y
testeo
Etapa 2
Construcción
Etapa 3
Montaje, alineación y
testeo
Especificaciones y
diseño conceptual
Etapa 2
Construcción
Etapa 3
Montaje, alineación y
testeo
Etapa 2
Construcción
Etapa 3
Montaje, alineación y
testeo
Especificaciones y
diseño conceptual
Construcción
Etapa 3
Montaje, alineación y
testeo
TOTAL x AÑO
1.000.000 USD
2.000.000 USD
1.200.000 USD
1.000.000 USD
2.000.000 USD
1.200.000 USD
0
2019
4.500.000 USD
0
2020
500.000 USD
2017
2018
2019
1.200.000 USD
2.500.000 USD
2.000.000 USD
0
25000
2016
1.200.000 USD
2.500.000 USD
2021
4.725.000 USD
0
2020
2.000.000 USD
2021
6.050.000 USD
325.000 USD
2017
2018
2019
2020
1.500.000 USD
2.000.000 USD
1.000.000 USD
500.000 USD
0 USD
2015
25.000 USD
1.500.000 USD
2.000.000 USD
2016
2017
2018
1.200.000 USD
2.800.000 USD
1.400.000 USD
0
2021
1.000.000 USD
2019
500.000 USD
2020
500.000 USD
5.525.000 USD
2021
350.000
0
2014
25.000 USD
2015
1200000
2016
2.800.000 USD
2017
1400000
350.000 USD
5.775.000 USD
0 USD
2018
2019
2020
2021
1.200.000 USD
2.500.000 USD
1.000.000 USD
1.000.000 USD
25.000 USD
0
0
2014
0
2015
0
2016
25.000 USD
2017
1.200.000 USD
2018
2.500.000 USD
1.000.000 USD
1.000.000 USD
2019
2020
2021
1.000.000 USD
2.500.000 USD
2.500.000 USD
5.725.000 USD
25.000 USD
0
TOTAL
Etapa 1
2018
500.000
0
0
Etapa 2
2017
2016
2015
2014
2013
Etapa 1
375.000 USD
2016
25.000 USD
TOTAL
Reflectómetro
900.000 USD
0
2013
Especificaciones y
diseño conceptual
3.000.000 USD
325.000
0
Difractóm. Tensiones
2021
25.000 USD
TOTAL
Etapa 1
2015
2014
2013
Etapa 1
25.000 USD
0
0
Espectrómetro
2020
0
TOTAL
Equipamiento Aux.
2014
2013
Etapa 1
2019
800.000 USD
500.000 USD
0
0
Especificaciones y
diseño conceptual
2021
25.000 USD
TOTAL
Neutrógrafo
2015
1.200.000 USD
0
2013
Etapa 2
2020
375.000 USD
25.000 USD 1.200.000 USD
0
Etapa 1
2019
25.000 USD
TOTAL
SANS
2021
25.000 USD
TOTAL
Difractómetro B
2020
0
2013
0
2014
0
560.000 USD
645.000 USD
0
0
0
25.000 USD
1.000.000 USD
2.500.000 USD
2.500.000 USD
2015
2016
2017
2018
2019
2020
2021
100.000 USD
1.100.000 USD
1.500.000 USD
1.800.000 USD
2.500.000 USD
3.000.000 USD
1.000.000 USD
10.545.000 USD
11.140.000 USD
1.970.000 USD
5.970.000 USD
9.970.000 USD
Tabla. 6.1: Inversión por tarea y por rubro.
7.325.000 USD
5.000.000 USD
6.025.000 USD
11.000.000 USD
53.125.000 USD
Distribución de la inversión por rubro 2013-2021
$3.500
$3.000
Formación
RRHH
Formación
usuarios
Difractómetro A
Miles U$D
$2.500
$2.000
$1.500
Difractómetro B
$1.000
SANS
Neutrógrafo
$500
$0
2013
2014
2015
2016
2017
2018
2019
2020
2021
Año
Fig. 6.2: Distribución de la inversión parcializada.
Distribución de la inversión total 2013-2021
$12.000
$10.000
Miles U$D
$8.000
$6.000
$4.000
$2.000
$0
2013
2014
2015
2016
2017
2018
2019
2020
2021
Año
Fig. 6.3: Distribución de la inversión total por año.
Al margen de inversiones vinculadas a dispositivos en el RA-10, obra civil
y un nivel básico de cobertura de costos asociados a guías de neutrones y
posiblemente algún instrumento de alto interés para los grupos propios por parte
de CNEA, los recursos necesarios para la adquisición y montaje de los
instrumentos y su equipamiento auxiliar (hornos, criostatos, imanes, celdas de
presión, etc.), y para la cobertura de los gastos de operación, mantenimiento y
consumo demandados por el Laboratorio deberán ser atendidos por el Estado
Nacional, asegurando la sustentabilidad del emprendimiento y la participación y
beneficio de las áreas de interés nacional y regional.
6.3 Funcionamiento y Operación
El Laboratorio propuesto tiene alcance nacional en su utilización e
impacto, concepción ésta que debe expresarse en su estructura de gestión y
modo de funcionamiento. Teniendo presente que la razón misma de LATINA es
la utilización de los haces de neutrones provenientes del Reactor RA-10, resulta
necesario que exista una estrecha coordinación entre ambas instalaciones, lo
cual implica que la CNEA debiera ser uno de los actores involucrados en la
gestión del laboratorio. Los otros actores deberían ser las instituciones o
estructuras del Estado con responsabilidad o interés en cuestiones asociadas al
conocimiento científico/tecnológico, sea en aspectos formativos, de investigación
básica o aplicada, o en el desarrollo tecnológico y la producción.
El esquema de gestión que proponemos es el de un Laboratorio Nacional,
tomando como base casos de reconocido éxito atinentes a grandes instalaciones
experimentales.
El laboratorio deberá contar con:
Un Director, encargado de la gestión científica/tecnológica y administrativa
del laboratorio, el contacto con las distintas instituciones involucradas y la
coordinación entre los distintos grupos de trabajo.
Un Directorio o Comisión Directiva, conformado por profesionales de
renombre en la comunidad científico-tecnológica y que pertenezcan a las
instituciones involucradas en el laboratorio (CNEA, MinCyT, Universidades, etc).
Esta comisión actuará en conjunto con el Director en la gestión del laboratorio.
Un Grupo de investigadores especialistas en diferentes disciplinas,
pertenecientes a distintas instituciones que funcione coordinando al jurado de
propuestas, analice necesidades de equipamiento y coordine aspectos
académicos de los trabajos que se realicen en el laboratorio. Sus integrantes
serán asesores naturales del Director, deberán mantener la vinculación con su
institución de origen, y permanecer en este cargo por un tiempo estipulado (3
años).
Equipos de dos Instrument Scientists y un técnico, especializados en la
operación y mantenimiento de cada uno de los equipos respondiendo a las
demandas de los usuarios y coordinado por las instancias superiores.
Los integrantes del Directorio, el Director Ejecutivo, y el Grupo Asesor
deberán ser renovados periódicamente mediante un mecanismo a determinar
por las instituciones involucradas en el laboratorio.
Finalmente, es altamente conveniente considerar la conformación de un
Comité Consultor Internacional, que será convocado anualmente para analizar la
evolución de las actividades del Laboratorio, y proveer asesoramiento estratégico
a la conducción del mismo.
Requerimientos:
LATINA debería ser la expresión de una alianza estratégica entre
diferentes sectores del Estado Nacional que, a través de instrumentos de
investigación diseñados y construidos según el estado del arte y la técnica más
moderna, permita concretar oportunidades únicas para un cambio cualitativo en
el desarrollo científico-tecnológico nacional.
La propuesta contempla el diseño de un Laboratorio de haces de
neutrones de última generación, incorporando equipamiento en base a un
crecimiento estimado de usuarios (ver anexo …), considerando la inversión
necesaria en una línea temporal particular. Por supuesto que la inversión
acumulada podría extenderse en el tiempo modificando los cronogramas aquí
propuestos.
En resumen, y desglosado por cada item, el gasto total hasta el final del
año 2021 sería de:
-
Formación de personal para instrumentos:
Formación de usuarios:
Difractómetro de Alta Intensidad:
Difractómetro de Alta Resolución:
Small Angle Neutron Scattering:
Neutrógrafo:
Espectrómetro triple eje:
Difractómetro de Tensiones:
Reflectómetro:
Equipamiento auxiliar (para todo el laboratorio):
U$S
800.000
U$S 3.000.000
U$S 4.500.000
U$S 4.725.000
U$S 6.050.000
U$S 5.525.000
U$S 5.775.000
U$S 5.725.000
U$S 6.025.000
U$S 11.000.000
Resulta así una inversión total de U$S 53.125.000 durante el período
considerado (2013 – 2021). Incluyendo el montaje del reflectómetro y
completamiento de equipamiento auxiliar, se prevé un total para la
instrumentación completa del laboratorio de U$S 55.000.000 (fin de 2022).
Los montos indicados no incluyen los costos de personal, el cual constará
sobre el completamiento del Laboratorio de 10 Profesionales ´Senior´
(incluyendo Director), 15 Profesionales, 10 Técnicos, 5 Administrativos, 6
Maestranza.
7. CONCLUSIONES
El proyecto para el diseño, la construcción y la puesta en marcha de un
reactor nuclear de investigación, de flujo neutrónico suficientemente alto como
para garantizar su utilización en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo la
producción de radioisótopos, la irradiación de materiales y combustibles
nucleares, las investigaciones científicas y tecnológicas, y la medicina nuclear,
ha sido iniciado por la Comisión Nacional de Energía Atómica (RP 200/10,
Proyecto RA-10).
La realización de este proyecto, que implica uno de los mayores esfuerzos
de inversión en CyT del país, permitirá expandir las capacidades nacionales en
cuanto a la producción de radioisótopos para atender a vitales necesidades
sociales, consolidará nuestro desarrollo de tecnología nuclear con fines pacíficos
y en particular, significará un enorme aporte al desarrollo de las diferentes
disciplinas científicas y tecnológicas al disponer de una de las más poderosas
herramientas experimentales de la actualidad.
La existencia del reactor RA-10 y específicamente del Laboratorio
Argentino de Técnicas de Investigación Neutrónicas Avanzadas (LATINA) aquí
propuesto, no solamente podrá transformar crucialmente nuestra capacidad de
resolver problemáticas científicas y tecnológicas complejas, sino que habrá de
constituirse en un polo de convergencia de las diferentes comunidades de
investigadores y tecnólogos alrededor de un ´dispositivo´ común, donde se
promueva la aún embrionaria vinculación horizontal entre nuestros grupos
dedicados a ciencias básicas, aplicadas y desarrollos tecnológicos.
Pero la concreción de estas posibilidades demanda la elaboración de
estrategias de mediano y largo plazo en la forma de políticas de estado para la
CyT, fundamentalmente dirigidas a promover una integración sistémica,
involucrando las Universidades, los Organismos Públicos de I+D, y el sector
empresario y de la producción, identificando y atendiendo las áreas de interés
nacional y regional, y asegurando el financiamiento de los recursos humanos y
de infraestructura necesarios.
El nuevo Reactor RA-10 se constituirá en una fuente estacionaria de
neutrones de alta intensidad, proveyendo flujos de neutrones comparables a los
de los más modernos y avanzados reactores del mundo, como el OPAL en Lucas
Height, Australia, y el FRM-II en Garching, Alemania. El Laboratorio Nacional
propuesto para la utilización de sus haces, a través de instrumentos de
investigación diseñados y construidos según el estado del arte y la técnica
actual, brindará oportunidades únicas para un cambio cualitativo en el desarrollo
científico-tecnológico nacional.
En este documento, se expresa el resultado de los análisis y discusiones
realizados por investigadores representativos de una amplia gama de tales
disciplinas de nuestro país, sobre la existencia de un Laboratorio Nacional para
la utilización de haces de neutrones provenientes del Reactor de Investigación
RA-10, y las conclusiones emergentes acerca del impacto que dicha utilización
podrá tener sobre la proyección de estas actividades a nivel nacional y regional.
Se propone, en definitiva, la creación de un Laboratorio de envergadura
nacional y alcance regional, moderno en su concepción, finalidad, operación y
gestión, que garantice la mayor eficiencia y calidad en las investigaciones, bajo
las premisas de originalidad y pertinencia. Se entiende que dicho Laboratorio
Nacional debería ser parte sustantiva del Plan Nacional de CyT, a fin de asegurar
su sustentabilidad no solamente en términos de operación, mantenimiento y
recursos humanos, sino también de competitividad e impacto en aquellos temas
de relevancia para el país.
Sirva este Anteproyecto como motivación para la discusión y análisis de
las oportunidades e inversiones requeridas, con la participación amplia de la
comunidad de CyT tanto a nivel individual como institucional, para que ese
Laboratorio Nacional nazca y se desarrolle como un proyecto de crecimiento
común y de trascendencia generacional.
ANEXO 1
DISPERSIÓN DE NEUTRONES
A.1 Propiedades de los Neutrones
Parámetros Característicos del neutrón
y expresiones de su impulso y energía en las dos representaciones
Las capacidades tan singulares de las técnicas neutrónicas se deben a la
conjunción única de propiedades que los neutrones lentos poseen. Tales
propiedades se describen brevemente a continuación.
a) Escalas de Espacio y Tiempo
La dispersión de neutrones permite el estudio de propiedades
estructurales y dinámicas en sistemas atómicos y magnéticos, sobre un rango
enorme de distancias y tiempos, desde 10 -12 m hasta 10-6 m, y desde 10-14 s
hasta 10-6 s. Mientras otras técnicas pueden proveer información sobre similares
distancias o rangos temporales equivalentes, la posibilidad de explorar
simultáneamente la estructura y la dinámica de la materia condensada es única
de los neutrones, al tener una longitud de onda asociada comparable a las
distancias interatómicas y una energía cinética en el rango de las excitaciones
características (fonones) de los movimientos atómicos.
b) Contraste y Selectividad
La intensidad de la dispersión de neutrones (sección eficaz) producida por
diferentes elementos varia grandemente, no existiendo correlación con el numero
atómico de aquellos. Siendo que las fuerzas nucleares, las cuales dominan los
procesos de interacción de neutrones, son dependientes del espín, tales
variaciones ocurren también para isotopos de un mismo elemento. Esta
propiedad permite aislar o resaltar la ubicación o movimientos de un dado átomo
o grupo de átomos en una estructura compleja. En particular, la sección eficaz
del hidrogeno es muy diferente a la del deuterio, lo cual permite obtener
información de alta precisión sobre estructuras moleculares, empleando técnicas
de sustitución isotópica en las muestras.
El tamaño de los círculos es proporcional a la intensidad de la interacción.
Debido a que las grandes moléculas biológicas contienen un gran número
de átomos de hidrogeno, estas técnicas de variación de contraste permiten
resaltar diferentes tipos de moléculas, como ácidos o proteínas en un
cromosoma, y observar de manera independiente la estructura de cada
componente dentro del complejo macromolecular.
c) Sensitividad y Penetración
Como los neutrones no ionizan la materia con la cual interactúan, pueden
penetrar profundamente en la misma e investigar sus propiedades no afectadas
por efectos de superficie. Gracias a ello, se pueden estudiar muestras de
grandes dimensiones, o propiedades de interfaces ubicadas en profundidad, o
comportamientos de muestras bajo condiciones extremas de presión y
temperatura. Por ser la interacción de neutrones de índole no-destructiva,
especímenes delicados u objetos preciosos pueden ser estudiados sin peligro de
dañarlos. Se pueden también observar las condiciones estructurales y de
funcionamiento de grandes componentes en movimiento (motores, turbinas),
incluyendo el movimiento de lubricantes bajo operación.
(De Neutron Scattering: A Primer, por Roger Pynn, Los Alamos 1990)
Por otra parte, el carácter débil de la interacción con la materia, hace del
neutrón una delicada partícula para explorar sus propiedades, permitiendo una
comparación mucho más directa entre las mediciones y las simulaciones
computacionales o modelos, que otras formas de radiación, conformando asi una
herramienta experimental de gran sensitividad.
Penetración característica de Neutrones, Rayos X y Electrones en diferentes materiales.
(De “Neutron Scattering: A Primer”, por Roger Pynn, Los Alamos 1990)
d) Magnetismo
Debido a su momento magnético dipolar intrínseco, los neutrones
permiten acceder de manera transparente al estudio de las propiedades
magnéticas de los materiales, tanto estructurales como dinámicas (magnones).
La interacción magnética tiene lugar cuando existen electrones atómicos no
apareados en la muestra, lo cual hace que ésta presente un momento magnético
no nulo. Las primeras determinaciones de estructuras magnéticas fueron
realizadas por Shull (Premio Nobel 1994) empleando difracción de neutrones, y
confirmando las predicciones de Néel (Premio Nobel 1970). Sin el empleo de
neutrones, nuestro entendimiento microscópico del magnetismo sería aún hoy
esencialmente teórico.
e) Reacciones e Interacciones Fundamentales
Los neutrones, a través de reacciones nucleares con ciertos nucleídos,
como las reacciones de fisión o de absorción nuclear, producen modificaciones
de aquéllos dando lugar a nuevos nucleídos, estables o inestables. A través de
estos procesos y por irradiación de materiales particulares, se producen una
variedad de radioisótopos, de enorme importancia para el diagnóstico y terapia
de enfermedades, análisis y certificación de integridad estructural en
componentes mecánicas, el mejoramiento de la producción de alimentos, y el
cuidado del medioambiente.
Asimismo, el estudio de propiedades intrínsecas del neutrón como su vida
media, momento dipolar eléctrico y polarizabilidad eléctrica, entre otras, produce
información sobre interacciones fundamentales de la naturaleza.
A.2 Fundamentos de la Dispersión de Neutrones
Neutrones que inciden sobre una muestra pueden atravesarla, ser
absorbidos por los nucleídos que la componen o ser dispersados por aquéllos.
En procesos de absorción, neutrón y núcleo blanco forman un núcleo
compuesto en estado excitado, el cual decae a su estado fundamental por
emisión de otras partículas o se fisiona. En procesos de dispersión, el neutrón
emergente de la colisión se moverá en una dirección y con energía diferentes a
las iniciales, indicando que una transferencia de energía  y un intercambio de
impulso Q ha ocurrido entre el proyectil y el sistema dispersor.
E = (k)2/2m ,
 = E – E’ ,
Q = (k – k’)
Es a través de la medición de  y Q que la dinámica y la estructura
microscópicas de la muestra pueden ser determinadas.
La energía de los neutrones térmicos es del mismo orden que muchas
de las energías de excitación típicas de la materia condensada. De este modo,
si el neutrón interactúa inelásticamente creando o aniquilando una excitación,
su cambio de energía será una fracción importante de la que poseía
inicialmente, entonces la medición de su energía final proveerá información
detallada acerca de las energías de las excitaciones en la materia y, por lo
tanto, de las fuerzas interatómicas. Por otro lado, el momento magnético de los
neutrones permite investigar la estructura magnética del material, como así
también las energías características de sus excitaciones.
El experimento básico de scattering (Figura A1) consiste en hacer incidir
sobre una muestra (sistema dispersor) un haz colimado de neutrones. Este
sistema está constituido por un conjunto de átomos que pueden conformar un
cristal, un sólido amorfo, un líquido o un gas. Como resultado de los diferentes
tipos de mediciones que se realizan sobre los neutrones dispersados, se
obtienen las secciones eficaces correspondientes.
Figura A1: Esquema básico de un experimento de scattering
Supongamos un haz incidente monoenergético de neutrones de
energía E. Se denomina flujo incidente () al número de neutrones que incide
por unidad de tiempo y unidad de área perpendicular al haz. Dados los ángulos
 y , se define la sección eficaz doble diferencial
d 2
d dE '
,
(A1.1)
como el número de neutrones dispersados por unidad de tiempo en el ángulo
sólido d en la dirección (, ) con energías finales entre E’ y E’+dE’, por
unidad de ángulo sólido y de energía.
Si no se analiza la energía final de los neutrones emergentes del
sistema, es útil definir la sección eficaz diferencial como el número de
neutrones dispersados por unidad de tiempo y por unidad de ángulo sólido en
d alrededor de la dirección (, ). Esta magnitud se obtiene a partir de la Ec.
(A1.1) por integración sobre las energías finales
d
d

d 2
dE '
d dE ' .
(A1.2)
Para el caso en que no se analiza la dirección de los neutrones
emergentes, se define el núcleo de transferencia de energía ( o simplemente
núcleo de transferencia o kernel) como el número de neutrones dispersados,
por unidad de tiempo y por unidad de energía, con energías entre E’ y E’+dE’,
que se obtiene integrando la Ec. (A1.1) sobre todos los ángulos
d
dE '

d 2
d
d dE ' .
(A1.3)
Finalmente se define la sección eficaz total como el número total de
neutrones dispersados por unidad de tiempo en cualquier dirección y con
cualquier energía, y se obtiene integrando la Ec. (A1.2) sobre los ángulos de
dispersión o la Ec. (A1.3) sobre las energías finales
tot  
d
d
d  
d
dE '
dE ' .
(A1.4)
El problema básico de la teoría de scattering es obtener expresiones
teóricas para las secciones eficaces, que son las cantidades que se miden
directamente en los experimentos de scattering.
A.3 Técnicas Neutrónicas básicas
Los neutrones que emergen de su fuente de producción (núcleo del
reactor), se termalizan en el medio moderador (y reflector) que rodea a ésta,
adquiriendo allí una distribución Maxwelliana de energías. El haz de neutrones
extraído por un tubo que atraviese los blindajes biológicos, está pues
caracterizado por tal espectro de energías. A los fines de su utilización
experimental, se requiere un haz de neutrones monocromático, esto es,
conformado por neutrones de una dada energía lo cual se logra por medio de
dispositivos estáticos (monocromadores cristalinos) o móviles (selectores de
velocidad).
Los instrumentos para experimentos de dispersión de neutrones pueden
entonces dividirse, entre aquellos donde la información buscada es estructural y
que es obtenida por medición de los neutrones dispersados en función del
ángulo, y aquellos donde los intercambios de energía son también medidos,
proveyendo así información sobre la dinámica del sistema en estudio.
Difractómetros (Instrumentos para estudios estructurales)
El objetivo en este caso es la determinación del ‘factor de estructura’ S(Q),
donde Q = 2k sin(/2) . siendo el más simple de tales instrumentos un
difractómetro para policristales o sistemas isotrópicos en general. En la figura se
muestra en forma esquemática la configuración y componentes básicos de esta
facilidad experimental.
La resolución de estos instrumentos está definida por el ángulo de
emergencia del haz desde el monocromador y el grado de colimación del mismo
frente a la muestra. Se necesita una alta resolución instrumental en el estudio de
muestras policristalinas con celda unidad grandes o complejas, pero la resolución
puede relajarse en beneficio de ganancia de intensidad en el caso de estudios en
sistemas líquidos o amorfos.
Consecuentemente con los requerimientos de resolución impuestos por
las características de las muestras a estudiar, existen diferentes tipos de
instrumentos los cuales están optimizados para satisfacer de manera eficiente
tales requerimientos. Se emplean asimismo instrumentos específicos para
estudios en monocristales y de estructuras magnéticas, en este último caso con
utilización de neutrones polarizados.
Esquema de un difractómetro (dos ejes)
Finalmente, una clase importante de instrumentos por su aplicación directa
a problemas de Ciencia de Materiales, Biología y Materia Blanda, son los
llamados “de pequeño ángulo”.
Esquema de un difractómetro de pequeño ángulo (SANS)
Espectrómetros (Instrumentos para estudios de la dinámica)
El más versátil de estos instrumentos es el llamado “triple eje”, el cual se
muestra esquemáticamente en la figura:
Esquema de un espectrómetro (tres ejes)
Con ellos se observan simultáneamente las transferencias de energía e
impulso sufridas por los neutrones dispersados, las cuales están vinculadas entre
sí por el ´factor de estructura dinámico´ S(Q, ) característico del sistema
dispersor.
Además del estudio de las excitaciones colectivas de la red (fonones) –
campo tradicional de aplicación de estos instrumentos – el empleo de cristales
polarizadores como monocromador y analizador de polarización, permite el
estudio de las excitaciones magnéticas en materiales o compuestos que
presenten magnetismo espontáneo o inducido.
Los espectrómetros de Triple Eje pueden ser ‘Fríos’ o ‘Calientes’ (ETEF o
ETEC respectivamente), denominación asociada al espectro de neutrones que
emplean. El Triple Eje Frío recibe neutrones de una fuente enfriada a unos -250
°C, mientras que el Triple Eje Térmico utiliza neutrones termalizados en agua
pesada a temperatura ambiente. Así, el ETEF puede medir pequeños cambios
en la energía de los neutrones con resolución inherentemente alta, debido a su
haz intenso de neutrones fríos.
Reflectómetros
Aún cuando los primeros experimentos de reflección de neutrones fueron
realizados a principios de los ´50 (para determinar las propiedades
fundamentales de la interacción de neutrones con los elementos), fue
inicialmente empleado como herramienta cuantitativa en la ciencia de materiales
en los años 80.
La reflectometría es similar a la dispersión de pequeño ángulo, en el
sentido que es sensitiva a las dimensiones nanométricas, pero opera en
geometría de reflección en lugar de transmisión.
ANEXO 2
ALGUNOS USOS DE HACES DE NEUTRONES
EN INVESTIGACION
Cristalografía
Estructura cristalina de materiales hidrogenados.
Estructura cristalina de materiales con átomos de cercano No. atómico.
Enlaces de hidrógeno.
Posición de hidrógenos en proteínas.
Factores de temperatura y potenciales de interacción.
Correlaciones entre formas moleculares y actividad biológica.
Ferritas.
Ferroeléctricos.
Magnetismo
Estructuras ferro y antiferro magnéticas.
Mecanismos de super-intercambio en compuestos magnéticos.
Sistemas electrónicos altamente correlacionados.
Propiedades magnéticas de metales (grupo Fe, tierras raras).
Factores de forma magnéticos.
Magnetismo en amorfos, vidrios de spin.
Producción de neutrones polarizados por difracción.
Excitaciones magnéticas.
Dinámica de spin en sistemas metálicos.
Dinámica de redes
Curvas de dispersión de fonones.
Fuerzas interatómicas.
Modos vibracionales localizados de impurezas.
Transiciones de fase
Modos blandos y transiciones de fase estructurales.
Dispersión magnética crítica y transiciones de fase magnéticas.
Sistemas de baja dimensionalidad.
Líquidos
Estructura de líquidos.
Dinámica de líquidos.
Condensación de Bose-Einstein en 4He superfluido.
Rotones de 4He.
Superconductividad
Redes de vórtices en superconductores.
Distribución de magnetización dentro de un vórtice.
Coexistencia de magnetismo y superconductividad.
Interacciones electrón-fonón.
Anomalías fonónicas.
Aleaciones
Orden-desorden en aleaciones de metales de transición.
Transformación martensítica.
Coexistencia y estabilidad de fases metaestables.
Distribución de momentos magnéticos en aleaciones magnéticas.
Otros
Conformación de polímeros.
Terapia de cáncer por captura neutrónica en boro.
Defectos en materiales irradiados.
Defectos complejos.
Propiedades de materiales bajo condiciones físicas extremas.
Interferometría neutrónica.
Propiedades fundamentales.
ALGUNOS USOS DE HACES DE NEUTRONES
EN LA INDUSTRIA
Dispersión de neutrones a pequeño ángulo
Precipitación de Cu en aceros.
Porosidad de materiales (cementos, carbones).
Estructura de detergentes.
Contenido de hidrógeno en materiales.
Análisis de superficies por reflectividad neutrónica.
Conformación de sistemas complejos.
Difracción de neutrones
Determinaciones de estructura de nuevos materiales.
Micro-cristalinidad de catalizadores.
Scattering difuso en cerámicos.
Fases minoritarias en soldaduras.
Textura.
Tensión interna.
Scattering cuasi-elástico y vibracional
Desorden estructural.
Dinámica de sistemas complejos.
Auto-organización estructural en mezclas de polímeros.
Difusión en soluciones acuosas.
Difusión de etileno en catalizadores.
Neutrografía
Topografía neutrónica.
Inspección no destructiva de componentes.
Crecimiento de vegetales bajo condiciones controladas.
Análisis por activación neutrónica.
Certificación de objetos arqueológicos y obras de arte.
Estudios dinámicos de flujos multifases.
ANEXO 3
CARACTERÍSTICAS DE INSTRUMENTOS
Difractómetro de Polvos de Alta Resolución
Este instrumento es empleado para la determinación de estructuras
complejas de materiales, como en superconductores, fármacos, aleaciones
aero-espaciales, cementos, zeolitas, acumuladores de hidrógeno y materiales
ópticos.
El objetivo es instalar uno de los mejores difractómetros de polvos
basado en una fuente estacionaria de neutrones. A modo de ejemplo, se
muestra el instrumento ECHIDNA en el Bragg Institute.
Difractómetro de Neutrones a Pequeño Angulo
La dispersión de neutrones a pequeño ángulo es una poderosa técnica
para explorar tamaños y estructuras de objetos de escala nanoscópica (1 – 10
nm), como moléculas poliméricas, biológicas, estructura de defectos en
metales y cerámicos, poros en rocas, clusters magnéticos, líneas de flujo
magnético en superconductores tipo-II, etc. Es además muy útil para el estudio
de problemas de magnetismo.
En muchos aspectos, la dispersión de neutrones a pequeño ángulo es
complementaria con la microscopía electrónica, aunque solamente la
dispersión a pequeño ángulo de fotones y neutrones puede proveer tamaños
de partículas, formas y distribuciones promediadas sobre una muestra
macroscópica. A modo de ejemplo, se muestra el instrumento QUOKKA en el
Bragg Institute.
Espectrómetro de Triple Eje Frío
Los espectrómetros de triple eje emplean la espectroscopía de
dispersión de neutrones para medir las excitaciones en los materiales. Esta
técnica provee la más detallada información sobre las propiedades dinámicas
de los materiales cristalinos. Un análisis teórico de los espectros de excitación
medidos brinda información sobre las interacciones interatómicas, tales como
fuerzas entre átomos o entre los momentos magnéticos de iones magnéticos.
El ETEF puede ser empleado para medir excitaciones de baja energía
en materiales cristalinos. Algunos ejemplos son las excitaciones vibracionales
de átomos de la red (fonones), excitaciones colectivas in la estructura de
spines electrónicos de la red (magnones), excitaciones de iones magnéticos en
el campo eléctrico de los iones vecinos (separación de campo cristalino), y
movimientos traslacional o rotacional difusivos en cristales moleculares. A
modo de ejemplo, se muestra el instrumento SIKA en el Bragg Institute.
Reflectómetro
Esta técnica se ha expandido al estudio de todas las formas vinculadas a
problemas de ciencia de superficies e interfases, particularmente relacionados
con el mercado de la industria de las grabadoras y de recubrimientos
poliméricos, biosensores y membranas biológicas artificiales.
La reflectometría es similar a la dispersión de pequeño ángulo, en el
sentido que es sensitiva a las dimensiones nanométricas, pero opera en
geometría de reflección en lugar de transmisión. Se pueden usar superficies
libres, y se dispone de celdas especiales para estudiar interfases sólido-líquido.
A través del llamado scattering difuso, se puede obtener información
cuantitativa acerca de la rugosidad de una superficie o sobre la estructura
superficial. A modo de ejemplo, se muestra el instrumento PLATYPUS en el
Bragg Institute.
Difractómetro Analizador de Tensiones
La idea básica es realizar un experimento de difracción y determinar los
parámetros de red de las fases de interés de un componente de ingeniería. Las
desviaciones respecto a un especimen estandar no tensionado representan
distorsiones, y a través del análisis apropiado se pueden extraer las tensiones.
Esto puede ser promediado sobre toda la extensión de una muestra, como en
el caso de compuestos metal-cerámico, para entender de que forma se
distribuye la carga entre la matriz metálica y el refuerzo cerámico.
La ventaja principal de usar neutrones es que éstos pueden penetrar
centímetros dentro del objeto de estudio, mientras que los rayos X p.ej. son
útiles para problemas superficiales. A modo de ejemplo, se muestra el
instrumento KOWARI en el Bragg Institute.
Difractómetro de Polvos de Alta Intensidad
Este instrumento estará optimizado para experimentos de cinética y muy
pequeñas muestras, en particular para estudios in situ de reacciones químicas,
fenómenos dinámicos, experimentos de alta presión y magnetismo. La alta
performance esperada proviene de la combinación de detector de área de alta
calidad y de un gran haz de neutrones acompañado de un monocromador de
gran área.
Las investigaciones con un DIPAI como el propuesto podrán incluir
nuevos materiales acumuladores de hidrógeno, materiales con coeficiente
negativo de expansión térmica, clatratos de hielo y metano, moléculas
farmacéuticas, materiales para reactores de fusión, etc. A modo de ejemplo, se
muestra el instrumento WOMBAT en el Bragg Institute.
ANEXO 4
Presentaciones sobre el RA-10 y la Utilización de Haces de Neutrones
Foros:
 Reunión de la Asociación Física Argentina, La Plata, 2005
 Congreso Nacional de la Sociedad Argentina de Materiales, Mar del
Plata, 2005,
 Workshop Nacional sobre Reactores de Experimentación y Producción,
CNEA, Bariloche 2005
 Taller sobre Utilizacion de un nuevo reactor de investigación, CAC 2006
 Workshop Nacional sobre Reactores de Experimentación y Producción,
CNEA, Bs.As.2006
 International Conference on Biological Physics, Montevideo, Uruguay,
2007
 Workshops Nacionales sobre Reactores de Experimentación y
Producción, CNEA, Rosario 2007-2009
 Reunión de la Asociación Física Argentina, Malargue 2010
 XIII Jornadas de Ciencia y Tecnología, Univ. Nac. de Formosa, 2010
 Primer Workshop Argentino sobre Haces de Neutrones para
Investigación, CAC 2011
 Reunión de la Asoc. Argentina de Cristalografía, Bariloche 2011
 Reunión “Sólidos” , Tucumán 2011
 Workshop on "Structure and Dynamics of Glassy, Supercooled and
Nanoconfined Fluids", CAC 2012
Seminarios:











Tenaris, Campana (2006),
Sede Central CNEA (2006)
Departamento de Física, FCEyN, UBA (2007)
Centro Atómico Constituyentes (2008)
Reunión Mesa Directiva FORO BARILOCHE (2008)
Centro Atómico Bariloche/IB (2011)
Centro Atómico Constituyentes (2011)
Escuela "José A. Balseiro" , Bariloche (2011)
Facultad de Cs. Exactas y Naturales, UBA (2011)
FAMAF, Univ. Nac. De Córdoba (2012)
Fac. Ingeniería, UBA, 2012
ANEXO 5
REACTORES DE INVESTIGACIÓN CON
INSTRUMENTOS DE DISPERSIÓN DE NEUTRONES
(Abril 2012)
Country
Facility Name
Type
Thermal Power
(kW)
Algeria
Algeria
Australia
Austria
Bangladesh
Brazil
Brazil
Canada
Canada
Chile
China
Czech Republic
France
France
Germany
Germany
Germany
Hungary
India
Indonesia
Japan
Kazakhstan
Korea, Republic of
Malaysia
Morocco
Netherlands
Netherlands
Norway
Pakistan
Peru
Poland
Portugal
Romania
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
NUR
ES-SALAM
OPAL
TRIGA II VIENNA
TRIGA MARK II
IEA-R1
ARGONAUTA
NRU
MNR MCMASTER UNIV
RECH-1
CARR
LVR-15 REZ
HFR
ORPHEE
FRMZ
BER-II
FRM II
BUDAPEST RES. REACTOR
DHRUVA
RSG-GAS
JRR-3M
EWG 1
HANARO
TRIGA PUSPATI (RTP)
MA-R1
HOR
HFR
JEEP II
PARR-1
RP-10
MARIA
RPI
TRIGA II PITESTI - SS CORE
IR-8
WWR-M
IVV-2M
POOL
HEAVY WATER
POOL
TRIGA MARK II
TRIGA MARK II
POOL
ARGONAUT
HEAVY WATER
POOL, MTR
POOL
TANK IN POOL
TANK WWR
HEAVY WATER
POOL
TRIGA MARK II
POOL
POOL
TANK WWR
HEAVY WATER
POOL, MTR
POOL
TANK
POOL
TRIGA MARK II
TRIGA MARK II
POOL
TANK IN POOL
TANK
POOL
POOL
POOL
POOL
TRIGA DUAL CORE
POOL, IRT
TANK WWR
POOL
1000.0000
15000.0000
20000.0000
250.0000
3000.0000
5000.0000
0.2000
135000.0000
3000.0000
5000.0000
60000.0000
10000.0000
58300.0000
14000.0000
100.0000
10000.0000
20000.0000
10000.0000
100000.0000
30000.0000
20000.0000
35000.0000
30000.0000
1000.0000
2000.0000
2000.0000
45000.0000
2000.0000
10000.0000
10000.0000
30000.0000
1000.0000
14000.0000
8000.0000
18000.0000
15000.0000
South Africa
Ukraine
Ukraine
United States of
America
United States of
America
United States of
America
United States of
America
United States of
America
Uzbekistan
Egypt
Greece
Japan
Russian Federation
SAFARI-1
SNI, IR-100
WWR-M KIEV
TANK IN POOL
POOL, IRT
TANK WWR
20000.0000
200.0000
10000.0000
NBSR
HEAVY WATER
20000.0000
PULSTAR N.C. STATE UNIV.
POOL, PULSTAR
1000.0000
HFIR
TANK
85000.0000
PSBR PENN ST. UNIV.
TRIGA MARK CONV
1000.0000
MURR UNIV. OF MISSOURI
WWR-SM TASHKENT
ETRR-1
DEMOKRITOS (GRR-1)
KUR
IBR-2M
TANK IN POOL
TANK WWR
TANK WWR
POOL
TANK
FAST BURST
10000.0000
10000.0000
2000.0000
5000.0000
5000.0000
2000.0000
Referencias
[1] Future Access to Neutron Sources: A strategy for the UK, CCLRC (2005)
http://www.neutrons.cclrc.ac.uk/
[2] NEUTRON SCATTERING, Institute of Physics, UK (2010).
http://www.iop.org/publications/iop/2011/file_47455.pdf
[3] Autrans Report: Scientific Prospects for Neutron Scattering with
Present and Future Sources, ESF/ENSA (1996) ISBN 2-903148-90-2;
A twenty years forward look at neutron scattering facilities in the OECD
countries and Russia, ESF/OECD (1998)
http://www.oecd.org/dataoecd/32/60/1904136.pdf
[4] Neutrons for Science, ESS Scandinavia (2010)
http://ess-scandinavia.eu/ess-documents/335-neutrons-for-science
[5] Ideas y Motivaciones para la construcción de un Reactor Argentino de
Investigación, J.R. Granada, Marzo 2008,
http://www.apcnean.org.ar/arch/77e42631bb26f26dd2d20dd7ea929585.pdf
[6] Acuerdo de Cooperación entre CNEA y CNEN sobre el Proyecto de Nuevo
Reactor de Investigación Multipropósito (Buenos Aires, 31 de Enero de 2011)
http://tratados.cancilleria.gob.ar/tratado_archivo.php?id=8874&tipo=1
[7] Tres décadas de investigación española con técnicas neutrónicas, Ed.
Javier Campo y Pedro Gorria, Sociedad Española de Técnicas Neutrónicas
(2009)
[8] Activity Report 2010 LNLS – Sitio web www.lnls.br
[9] Relevamiento de usuarios, C. Rodríguez Torres y F. Requejo (2011)