Sensores cuánticos reducen incertidumbre en mediciones de rayos X hasta

Un equipo de investigadores estadounidenses ha medido con precisión las emisiones de rayos X de tres elementos radiactivos: uranio, plutonio y neptunio. Para ello empleó sensores cuánticos de alta sensibilidad diseñados en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), ubicado en Maryland.

Según los científicos, esta tecnología podría optimizar significativamente el monitoreo de material nuclear en centrales eléctricas y instalaciones de armamento. Habitualmente, los elementos radiactivos se identifican mediante sus emisiones características de rayos gamma. Sin embargo, algunos emiten también rayos X dentro del mismo rango energético, lo que genera superposición y dificulta determinar con exactitud qué material está presente y en qué cantidades.

En el marco del proyecto, los investigadores midieron los rayos X emitidos por esos tres elementos. Los resultados lograron reducir la incertidumbre en las energías medidas entre un tercio y una octava parte respecto a estudios anteriores. «Nuestras mediciones respaldan las salvaguardias nucleares internacionales al permitir un recuento más preciso del material en instalaciones nucleares», afirmó Jonathan Dean, físico del NIST.

Cambios energéticos mínimos

El equipo utilizó detectores conocidos como sensores de borde de transición (TES), originalmente desarrollados en el NIST. Estos dispositivos funcionan como termómetros miniatura extremadamente sensibles. Cada uno incorpora una película superconductora enfriada a una fracción de grado por encima del cero absoluto.

A esa temperatura, explican los investigadores, la película se sitúa justo en el límite entre dos estados: el de superconductor —sin resistencia eléctrica— y el de metal convencional —con resistencia medible—. Cuando un fotón de rayos X impacta el sensor, transfiere una cantidad ínfima de calor, provocando un aumento rápido y medible de la resistencia eléctrica de la película.

La magnitud de ese cambio es directamente proporcional a la energía del fotón, lo que permite mediciones altamente precisas. Con estos sensores, el equipo registró rayos X provenientes de uranio, plutonio y neptunio en rangos energéticos que coinciden con emisiones de rayos gamma.

Eliminar ese llamado ruido de fondo de rayos X facilitaría determinar con mayor exactitud las proporciones isotópicas dentro del material nuclear. Dichas proporciones pueden revelar la finalidad prevista del material radiactivo. Por ejemplo, el uranio-235 representa aproximadamente el 0,7 % del uranio natural. Para combustible de reactores se requiere su enriquecimiento a varios por ciento, mientras que el uranio para armas contiene cerca del 90 % de este isótopo. Mediciones isotópicas más precisas fortalecerían el control del material nuclear y las salvaguardias internacionales.

Controles más rápidos del combustible nuclear

El NIST señaló que esta tecnología podría incrementar notablemente la eficiencia operativa en centrales nucleares. La generación de electricidad mediante fisión del uranio implica múltiples etapas, y la composición del combustible nuclear debe evaluarse antes de avanzar a la siguiente fase.

Mediciones más ágiles acortarían esos períodos de espera, potencialmente aumentando la eficiencia y reduciendo costos. No obstante, la tecnología presenta una limitación: los detectores TES exigen sistemas de refrigeración capaces de mantenerlos extremadamente cercanos al cero absoluto, lo que impide su uso en versiones portátiles.

Sin embargo, los detectores pueden operar en cualquier lugar donde haya suficiente suministro eléctrico para alimentar su equipo de enfriamiento. Asimismo, las muestras pueden trasladarse a laboratorios equipados con dichos sensores. «Nuestros instrumentos son compatibles con ambos enfoques», concluyó Dean en un comunicado de prensa del NIST.

El NIST y el Laboratorio Nacional de Los Alamos ya han instalado detectores TES en tres laboratorios del Departamento de Energía de Estados Unidos para el monitoreo de material nuclear. La tecnología también se aplica en importantes centros de investigación, entre ellos el CERN, el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC, el Laboratorio Nacional Argonne y el Laboratorio Nacional Brookhaven.

Actualmente, los científicos trabajan en mejorar la precisión de los detectores y en reducir el tamaño, la complejidad y el costo de sus sistemas de refrigeración. El NIST también ha comenzado a explorar su aplicación en investigaciones fundamentales de partículas y en ciencias espaciales.