El efecto Wigner (llamado así por su descubridor, Eugene Wigner ), [1] también conocido como efecto de descomposición o enfermedad de Wigner , [2] es el desplazamiento de átomos en un sólido causado por la radiación de neutrones .
Cualquier sólido puede presentar el efecto Wigner. El efecto es especialmente preocupante en los moderadores de neutrones , como el grafito , cuyo objetivo es reducir la velocidad de los neutrones rápidos , convirtiéndolos así en neutrones térmicos capaces de sostener una reacción nuclear en cadena en la que intervenga el uranio-235 .
Para que se produzca el efecto Wigner, los neutrones que colisionan con los átomos de una estructura cristalina deben tener suficiente energía para desplazarlos de la red. Esta cantidad ( energía de desplazamiento umbral ) es de aproximadamente 25 eV . La energía de un neutrón puede variar ampliamente, pero no es raro tener energías de hasta 10 MeV (10.000.000 eV) o más en el centro de un reactor nuclear . Un neutrón con una cantidad significativa de energía creará una cascada de desplazamiento en una matriz a través de colisiones elásticas .
Por ejemplo, un neutrón de 1 MeV que choca con el grafito creará 900 desplazamientos. No todos los desplazamientos crearán defectos, porque algunos de los átomos golpeados encontrarán y llenarán los espacios vacíos que eran pequeños vacíos preexistentes o espacios vacíos recién formados por los otros átomos golpeados.
Los átomos que no encuentran una vacante se quedan en reposo en posiciones no ideales, es decir, no a lo largo de las líneas simétricas de la red. Estos átomos intersticiales (o simplemente "intersticiales") y sus vacantes asociadas son un defecto de Frenkel . Debido a que estos átomos no están en la ubicación ideal, tienen una energía de Wigner asociada a ellos, de manera similar a como una pelota en la cima de una colina tiene energía potencial gravitatoria .
Cuando se acumula una gran cantidad de intersticiales, corren el riesgo de liberar toda su energía de repente, lo que genera un aumento rápido y considerable de la temperatura. Los aumentos repentinos e imprevistos de la temperatura pueden suponer un gran riesgo para determinados tipos de reactores nucleares con temperaturas de funcionamiento bajas. Una de esas liberaciones fue la causa indirecta del incendio de Windscale . Se ha registrado una acumulación de energía en el grafito irradiado de hasta 2,7 kJ /g, pero normalmente es mucho menor. [3]
A pesar de algunos informes, [4] la acumulación de energía de Wigner no tuvo nada que ver con la causa del desastre de Chernóbil : este reactor, como todos los reactores de energía contemporáneos, funcionó a una temperatura lo suficientemente alta como para permitir que la estructura de grafito desplazada se realineara antes de que pudiera almacenarse cualquier energía potencial. [5] La energía de Wigner puede haber jugado algún papel después del pico crítico de neutrones, cuando el accidente entró en la fase de eventos de fuego de grafito.
La acumulación de energía de Wigner se puede aliviar calentando el material. Este proceso se conoce como recocido . En el grafito, esto ocurre a 250 °C (482 °F). [6]
En 2003, se postuló que la energía de Wigner se puede almacenar mediante la formación de estructuras de defectos metaestables en el grafito. Cabe destacar que la gran liberación de energía observada a 200–250 ° C se ha descrito en términos de un par intersticial-vacante metaestable. [7] El átomo intersticial queda atrapado en el borde de la vacante y existe una barrera para que se recombine para dar grafito perfecto.