Reactoarele de fuziune sunt concepute pentru a produce energie curată, însă o teorie nouă sugerează că acestea ar putea genera și unele dintre cele mai greu de detectat particule din fizică, potrivit Earth.com.
O propunere a unor cercetători din Statele Unite susține că marile centrale de fuziune nucleară ar putea crea, fără intenție, axioni – particule ipotetice care ar putea constitui materia întunecată. Ideea-cheie este că axionii nu ar proveni din plasma extrem de fierbinte unde are loc fuziunea, ci chiar din structura reactorului.
Neutronii creează particule noi
Potrivit noului studiu, neutronii rapizi eliberați în timpul reacțiilor de fuziune lovesc metalele și litiul din jur. Acest lucru declanșează procese nucleare rare, care ar putea emite axioni capabili să iasă din reactor și să ajungă la detectoare aflate în apropiere.
Cercetarea a fost condusă de profesorul Jure Zupan de la Universitatea din Cincinnati (UC), din Ohio. Munca sa urmărește posibile particule de materie întunecată și tratează componentele reactorului ca o nouă sursă de axioni.
Materia întunecată rămâne invizibilă
Materia întunecată se face cunoscută prin efectele sale gravitaționale: galaxiile se rotesc mult mai repede decât ar permite masa stelelor și a gazului vizibil. Cele mai precise măsurători arată că materia întunecată reprezintă aproximativ 84,4% din toată materia din univers, dominând bilanțul cosmic al masei.
Dacă axionii constituie această masă invizibilă, producerea lor în apropierea reactoarelor ar putea ajuta la restrângerea modelelor teoretice încă valabile.
Axionii sunt greu de detectat
Axionii ar trece prin majoritatea materialelor, deoarece interacționează extrem de slab cu particulele și forțele cunoscute. Căutările se bazează adesea pe conversii rare în lumină sau electroni, ceea ce înseamnă că și detectoarele mari pot aștepta ani de zile pentru un semnal.
Chiar și un semnal clar ar necesita verificări suplimentare, deoarece multe modele prezic particule înrudite care nu ar constitui materia întunecată.
Reactoarele de fuziune eliberează neutroni rapizi
Într-un amestec obișnuit de combustibil pentru fuziune, un nucleu de heliu rămâne prins, în timp ce un neutron este aruncat din plasmă. Acest neutron transportă cea mai mare parte a energiei reacției, astfel că structurile din jur trebuie să suporte un bombardament constant.
Propunerea de căutare a axionilor în reactoarele de fuziune se bazează pe acest bombardament continuu, deoarece el declanșează reacțiile rare de interes.
De ce trebuie produs tritiul
Tritiul, o formă radioactivă de hidrogen cu doi neutroni, este rar în natură, așa că reactoarele practice plănuiesc să îl producă în timpul funcționării. Timpul de înjumătățire de 12 ani și consumul constant de combustibil îi determină pe proiectanți să producă tritiu prin lovirea litiului cu neutroni.
Aceleași lovituri ale neutronilor pot excita și nucleele, creând condițiile pentru eliberarea unei noi particule ușoare.
Captura în pereți eliberează particule
Captura neutronilor poate lăsa un nucleu din materialele pereților reactorului – litiu sau oțel – într-o stare excitată, cu energie în exces ce trebuie eliberată. O tranziție nucleară, în care un nucleu excitat pierde energie prin emisie, ar putea produce un axion sau o altă particulă ușoară.
Pentru că această particulă interacționează foarte slab, ea poate trece prin ecrane de protecție și poate apărea imediat în afara vasului reactorului.
Efectele încetinirii neutronilor
Neutronii care nu sunt capturați pot totuși să se împrăștie, pierzând energie prin numeroase coliziuni mai mici în structurile din jur. Când o particulă încărcată electric încetinește, emite radiație de frânare, eliberând energie care poate da naștere unor particule noi.
Propunerea tratează acest mecanism ca un al doilea canal de producere, deși el devine relevant mai ales atunci când neutronii își păstrează suficientă energie.
Particulele ajung la detectoare
Propunerea se bazează pe faptul că aceste particule pot călători zeci de metri de la miezul reactorului, suficient pentru a ajunge la detectoare amplasate în afara structurii. Un detector plasat la 33 de picioare (10 metri) distanță ar putea căuta interacțiuni pe care neutronii și razele gamma obișnuite le imită foarte rar.
Distanța este importantă, deoarece fluxul se dispersează rapid, astfel că experimentele au nevoie fie de reactoare mari, fie de detectoare mari, fie de ambele.
Detector cu apă grea
Conceptul de detecție presupune utilizarea unui rezervor mare cu apă grea – care conține deuteriu în loc de hidrogen obișnuit – amplasat lângă o instalație de fuziune. Când un axion lovește un nucleu de deuteriu, poate separa perechea într-un proton și un neutron liberi.
Această descompunere lasă o semnătură clară, deoarece neutronul rezultat poate fi numărat, iar protonul poate fi urmărit.
Semnalul reactorului de fuziune versus zgomotul de fond
Un test real ar compara ratele de detecție atunci când reactorul funcționează cu cele înregistrate când acesta este oprit. Cel mai mare fond de zgomot provine de la neutrinii solari – particule minuscule produse în nucleul Soarelui – care pot, de asemenea, descompune deuteriu, astfel că sincronizarea este esențială.
Chiar și în prezența acestor fonduri, propunerea ar putea elimina porțiuni mari din spațiul parametrilor dacă nu apare niciun exces de semnal.
De la cultura pop la fizică
În sezonul cinci al serialului The Big Bang Theory, mai multe episoade au strecurat problema axionilor pe tablele albe, fără explicații în dialog. „Neutronii interacționează cu materialul din pereți”, a spus profesorul Zupan. Calculele din serial, bazate pe Soare, omit reacțiile din pereți – exact acolo unde propunerea își găsește avantajul.
Unele estimări de producere se bazează pe calcule aproximative, deoarece reacțiile nucleare exacte din materialele pereților nu sunt complet cartografiate. Simulări mai bune, specifice fiecărui reactor, ar urmări unde încetinesc neutronii și ce tipuri de atomi lovesc, folosind probabilități de reacție măsurate.
Până când aceste date vor fi îmbunătățite, propunerea poate schița un potențial promițător, dar nu poate garanta o rată detectabilă într-o instalație anume.
Viitorul reactoarelor de fuziune
Amplul proiect ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) din sudul Franței ilustrează dimensiunea instalațiilor aflate acum în construcție. ITER va testa tehnologii-cheie, precum producerea tritiului, iar centralele ulterioare ar putea funcționa mai mult timp și ar produce mai mulți neutroni.
Dacă inginerii pot rezerva spațiu în apropiere pentru detectoare, instalațiile de tip ITER ar putea deveni și laboratoare de particule, fără a-și modifica misiunea energetică.
Căptușelile bogate în neutroni ale reactoarelor de fuziune ar putea deveni surse controlate pentru testarea directă a unui candidat pentru materia întunecată.
Următorul pas este realizarea de simulări specifice reactoarelor și proiecte de detectoare care să poată confirma sau respinge propunerea prin controale clare.
Studiul a fost publicat în Journal of High Energy Physics.
Ştiri video recomandate
