La controversia del hafnio fue un debate sobre la posibilidad de "desencadenar" liberaciones rápidas de energía, a través de la emisión de rayos gamma, a partir de 178m2 Hf , un isómero nuclear del hafnio . La liberación de energía por evento es 5 órdenes de magnitud (100.000 veces) mayor que en una reacción química típica, pero 2 órdenes de magnitud menor que una reacción de fisión nuclear . En 1998, un grupo dirigido por Carl Collins en la Universidad de Texas en Dallas informó [1] [2] haber iniciado con éxito un detonador de este tipo. Las relaciones señal-ruido fueron pequeñas en esos primeros experimentos, y hasta la fecha ningún otro grupo ha sido capaz de reproducir estos resultados. Peter Zimmerman (un físico nuclear estadounidense y experto en control de armas) describió las afirmaciones sobre el potencial de armamento como basadas en " ciencia muy mala ". [3]
Fondo
El 178m2 Hf es un candidato particularmente interesante para los experimentos de emisión gamma inducida (EGI), porque la energía del 178m2 Hf es 2,5 MeV por núcleo mayor que la del Hf en estado fundamental, y tiene una vida media larga de 31 años . Si una radiación de energía mucho más baja de algún agente pudiera "desencadenar" una liberación de esa energía almacenada antes de que la mayor parte de esta radiación desencadenante se disipara en procesos competitivos, y si la radiación desencadenante pudiera ser regenerada eficientemente por la radiación gamma de 2,5 MeV, podría ser posible iniciar una cascada de fotones gamma. La larga vida media del 178m2 Hf podría hacer posible diseñar una sustancia con suficientes de estos núcleos energéticos necesarios para la emisión estimulada , es decir, un láser de rayos gamma. Mientras que la emisión inducida de un fotón de alta energía por un fotón de energía más baja agrega potencia a un campo de radiación, la emisión estimulada agrega coherencia . [4]
Con todas las advertencias sobre la disipación del fotón desencadenante y su eficiente recreación por el fotón energético que se está desencadenando, el proceso podría, en principio, conducir a motores de reacción nuclear , junto con dispositivos radiométricos más precisos. Una propuesta para demostrar la eficacia de la "activación" de 178m2 Hf fue aprobada por un Taller de Investigación Avanzada de la OTAN (NATO-ARW) celebrado en Predeal en 1995. [5] Aunque la propuesta era utilizar protones incidentes para bombardear el objetivo, las partículas α estaban disponibles cuando se programó el primer experimento. Lo llevó a cabo un equipo francés, ruso, rumano y estadounidense. Se dijo que los resultados [6] eran extraordinarios, pero no se publicaron. Sin embargo, se dio a entender que 178m2 Hf era de especial importancia para las posibles aplicaciones de la IGE. Pronto estalló una controversia, principalmente entre los defensores originales de la idea de que el 178m2 Hf tenía potenciales aplicaciones militares como arma láser de rayos gamma o como explosivo no neutrónico pero de tipo nuclear, y los críticos que descartaban tales posibilidades debido a obstáculos prácticos en el camino: el 178m2 Hf es difícil de fabricar y prácticamente imposible de separar del Hf en estado fundamental, la absorción de rayos X de menor energía que lo activan por los electrones ligados alrededor del núcleo de Hf y la mínima probabilidad de recrear el rayo X capaz de activarse a partir del propio rayo X activado por dispersión aleatoria múltiple. Aun así, la aplicación militar era lo suficientemente atractiva como para intentar convertir el 178m2 Hf en algo útil (en lugar de un núcleo intrigante apto solo para el estudio académico).
Importancia
El 178m2 Hf tiene la energía de excitación más alta de cualquier isómero de vida larga comparable. Un gramo de 178m2 Hf puro contiene aproximadamente 1330 megajulios de energía, el equivalente en unos 300 kilogramos (660 libras) del explosivo TNT . La vida media del 178m2 Hf es de 31 años, o 1 Gs (gigasegundo, 1.000.000.000 segundos), de modo que la radiactividad natural de un gramo es de 2,40 TBq (65 Ci). La actividad se produce en una cascada de rayos gamma penetrantes, el más energético de los cuales es de 0,574 MeV. Se necesitaría un blindaje sustancial para la seguridad humana si la muestra fuera un gramo del isómero puro. Sin embargo, hasta ahora el isómero nuclear existe solo en concentraciones bajas (<0,1 %), dentro del hafnio multiisotópico.
Toda la energía liberada estaría en forma de fotones: rayos X y rayos gamma.
Si toda la energía del núcleo pudiera liberarse en un corto período de tiempo (por ejemplo, un nanosegundo), un gramo de 178m2 Hf puro produciría una ráfaga de rayos X con una potencia extremadamente alta del orden de 1 GJ/ns, o 1 exavatio (1 × 1018 W). Sin embargo, las estimaciones cuantitativas indican que la energía liberada por el isómero nuclear es mucho menor que la energía necesaria para iniciar el proceso; la potencia necesaria para iniciar la IGE tendría que producirse en una escala de tiempo más corta que la liberación de la energía nuclear y, por lo tanto, sería aún más extremadamente desproporcionada.
Las escalas de tiempo características de los procesos involucrados en las aplicaciones serían favorables para consumir toda la radiactividad inicial. El proceso de activación de una muestra mediante IGE utilizaría fotones para activar y producir fotones como producto. La propagación de fotones se produce a la velocidad de la luz, mientras que el desmontaje mecánico del objetivo se realizaría a una velocidad comparable a la del sonido. El material de 178 m2 Hf no activado podría no ser capaz de escapar de un evento activado si los fotones no interactuaran primero con los electrones.
Tanto la propuesta presentada al NATO-ARW como los resultados fragmentarios del experimento posterior indicaron que la energía del fotón necesaria para iniciar la IGE a partir de 178 m2 de Hf sería inferior a 300 keV. Se disponía de muchas fuentes económicas de rayos X de baja energía para suministrar flujos bastante grandes a muestras objetivo de dimensiones modestas.
Muestras de 178 m2 de Hf estaban y siguen estando disponibles sólo en concentraciones bajas (<0,1%), sin ninguna forma clara de aumentar esta concentración.
Cronología de acontecimientos notables
Alrededor de 1997, el grupo asesor de JASONS tomó testimonio sobre la activación de isómeros nucleares. El Grupo Asesor de Defensa de JASON publicó un informe público relevante [7] diciendo que concluían que tal cosa sería imposible y no debería intentarse. A pesar de publicaciones intermedias en revistas revisadas por pares de artículos escritos por un equipo internacional que informaban sobre la IGE de 178m2 Hf, alrededor de 2003 IDA tomó testimonio, nuevamente de científicos relevantes sobre cuestiones de credibilidad de los resultados informados. El profesor Carl Collins, el miembro estadounidense líder del equipo que publicó los éxitos, no testificó.
Experimento de producción de IGE a partir de una muestra del isómero nuclear 178m2 Hf. (de izquierda a derecha) Estudiantes de servicio; (con escalera) la línea de luz más estable del mundo para rayos X monocromáticos, BL01B1; (derecha) anillo principal del sincrotrón SPring-8 en Hyogo.
Alrededor de 2003, DARPA inició una investigación exploratoria denominada liberación de energía de isómeros estimulada (SIER) y se despertó el interés público, tanto a nivel popular [8] como a nivel profesional. [9]
El primer objetivo del SIER era determinar si se podían producir cantidades significativas de 178 m2 de Hf a costes aceptables para posibles aplicaciones. Se encargó de esta tarea a un grupo cerrado llamado HIPP, que llegó a la conclusión de que era posible. Sin embargo, un científico de ese grupo de revisión confidencial de HIPP de la DARPA "filtró" a la prensa preocupaciones preliminares pero perjudiciales. [10] Esta afirmación sin fundamento puso en marcha la posterior cascada de informes inexactos sobre los denominados "costes escandalosos" de la activación de isómeros.
Una vez satisfecho el encargo del panel HIPP de explorar el problema de la producción a un coste aceptable, el programa SIER se dedicó a la cuestión de la confirmación definitiva de los informes de IGE a partir de 178 m2 de Hf. La DARPA encargó una tarea de Triggering Isomer Proof (TRIP) y la asignó a un equipo completamente independiente de los que habían informado de éxito anteriormente. El "estándar de oro" de la activación del isómero de hafnio se estableció como la disertación de Rusu. [11] El experimento TRIP requería la confirmación independiente de la disertación de Rusu. Fue un éxito, pero no pudo publicarse.
En 2006, el equipo de Collins había publicado varios artículos que respaldaban sus observaciones iniciales de IGE desde 178m2 Hf. [12] [13] Las reimpresiones (disponibles en el enlace) de artículos que se publicaron después de 2001 describen el trabajo realizado con haces de rayos X monocromáticos sintonizables de las fuentes de luz de sincrotrón SPring-8 en Hyogo y SLS en Villigen.
En 2006, había dos artículos [14] [15] que afirmaban refutar las posibilidades de IGE a partir de 178m2 Hf y tres artículos teóricos escritos por el mismo individuo que decían por qué no debería ser posible que ocurriera mediante los pasos particulares que el autor imaginó. [16] [17] [18] Los dos primeros describían experimentos de sincrotrón en los que los rayos X no eran monocromáticos.
En 2007, Pereira et al. [19] estimaron que el costo de la energía eléctrica para almacenar energía en el isómero nuclear es del orden de $1/J; la construcción y el mantenimiento del acelerador de partículas necesario para este propósito es adicional. Cualquier dispositivo explosivo razonable, por ejemplo, una granada de mano, puede contener de 10 a 100 g de TNT, lo que corresponde a 40 a 400 kJ, a un costo de decenas de dólares o al menos 10.000 veces menos que esta estimación para el contenido de energía isomérica en el núcleo. Un costo tan excesivo hace que cualquier dispositivo basado en isómeros nucleares sea demasiado caro para ser práctico, y la investigación motivada por aplicaciones potenciales de los mismos sea un desperdicio de dinero (en contraste con la investigación sobre isómeros nucleares puramente con fines científicos que no pretenden ninguna practicidad).
El 29 de febrero de 2008, la DARPA distribuyó algunas de las 150 copias del informe final del experimento TRIP que había confirmado de forma independiente el "patrón oro" de la activación por isómero de hafnio. Respaldado por una revisión por pares, el informe de 94 páginas se distribuye solo para uso oficial (FOUO) por la Oficina de Información Técnica de la DARPA, 3701 N. Fairfax Dr., Arlington, VA 22203, EE. UU.
El 9 de octubre de 2008, el LLNL publicó la evaluación de 110 páginas del experimento TRIP de DARPA. [20] Citando la página 33, "En general, los experimentos de rayos X de 178 m2 Hf de Collins et al. son estadísticamente marginales e inconsistentes. Ninguno de los resultados positivos informados sobre el desencadenamiento fue confirmado por grupos independientes, incluidos los experimentos realizados por antiguos colaboradores (Carroll)". [12] Además, el resumen del informe afirma, en la página 65: "Nuestra conclusión es que la utilización de isómeros nucleares para el almacenamiento de energía es poco práctica desde el punto de vista de la estructura nuclear, las reacciones nucleares y las perspectivas de liberación controlada de energía. Observamos que es probable que el costo de producción del isómero nuclear sea extraordinariamente alto, y que las tecnologías que se requerirían para realizar la tarea están más allá de todo lo realizado hasta ahora y son difíciles de calcular en este momento".
En 2009, SA Karamian et al. publicaron los resultados de las mediciones experimentales de un equipo de cuatro naciones en Dubna para la producción de cantidades de 178 m2 Hf por espalación a energías tan bajas como 80 MeV. [21] Además de reducir significativamente el costo de producción proyectado, este resultado experimental demostró que la accesibilidad a fuentes de 178 m2 Hf estaba dentro de las capacidades de varios dispositivos de ciclotrón inactivos dispersos por todo el mundo.
Referencias
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