La espalación es un proceso en el que fragmentos de material ( spal ) son expulsados de un cuerpo debido al impacto o la tensión. En el contexto de la mecánica de impacto , describe la expulsión de material de un objetivo durante el impacto de un proyectil . En física planetaria , la espalación describe los impactos meteoríticos en una superficie planetaria y los efectos de los vientos estelares y los rayos cósmicos en las atmósferas y superficies planetarias . En el contexto de la minería o la geología , la espalación puede referirse a pedazos de roca que se desprenden de una cara rocosa debido a las tensiones internas en la roca; ocurre comúnmente en las paredes de los pozos de las minas . En el contexto de la oxidación de metales, la espalación se refiere al desprendimiento de la capa de óxido de un metal. Por ejemplo, el descascarillado del óxido del hierro. En el contexto de la antropología , la espalación es un proceso utilizado para fabricar herramientas de piedra, como puntas de flecha, mediante tallado . En física nuclear , la espalación es el proceso en el que un núcleo pesado emite numerosos nucleones como resultado de ser golpeado por una partícula de alta energía , lo que reduce en gran medida su peso atómico . En los procesos industriales y el bioprocesamiento, la pérdida de material de los tubos debido a la flexión repetida de los mismos dentro de una bomba peristáltica se denomina espalación.
La espalación puede ocurrir cuando una onda de tensión de tracción se propaga a través de un material y se puede observar en pruebas de impacto de placas planas. Es causada por una cavitación interna debido a tensiones, que se generan por la interacción de ondas de tensión, que exceden la resistencia a la tracción local de los materiales. Se creará un fragmento o varios fragmentos en el extremo libre de la placa. Este fragmento, conocido como " escamación ", actúa como un proyectil secundario con velocidades que pueden ser tan altas como un tercio de la velocidad de la onda de tensión en el material. Este tipo de falla es típicamente un efecto de las cargas de cabeza aplastante de alto explosivo ( HESH ).
La espalación inducida por láser es una técnica experimental reciente desarrollada para comprender la adhesión de películas delgadas con sustratos . Se utiliza un láser pulsado de alta energía (normalmente Nd:YAG ) para crear un pulso de tensión de compresión en el sustrato donde se propaga y refleja como una onda de tracción en el límite libre. Este pulso de tracción descascara/descascara la película delgada mientras se propaga hacia el sustrato. Utilizando la teoría de propagación de ondas en sólidos es posible extraer la resistencia de la interfaz. El pulso de tensión creado en este ejemplo suele tener una duración de entre 3 y 8 nanosegundos , mientras que su magnitud varía en función de la fluencia del láser . Debido a la aplicación de carga sin contacto, esta técnica es muy adecuada para descascarar películas ultradelgadas (de 1 micrómetro de espesor o menos). También es posible convertir una onda de tensión longitudinal en una tensión de corte utilizando un prisma de conformación de pulso y lograr la espalación de corte.
La espalación nuclear por el impacto de los rayos cósmicos se produce de forma natural en la atmósfera terrestre y en las superficies de los cuerpos en el espacio, como los meteoritos y la Luna . Se observan pruebas de espalación por rayos cósmicos (también conocida como "espoliación") en las superficies externas de los cuerpos y proporciona un medio para medir la duración de la exposición. La composición de los propios rayos cósmicos también puede indicar que han sufrido espalación antes de llegar a la Tierra, porque la proporción de elementos ligeros como el litio, el boro y el berilio en ellos supera las abundancias cósmicas medias; estos elementos en los rayos cósmicos se formaron evidentemente a partir de la espalación de oxígeno, nitrógeno, carbono y quizás silicio en las fuentes de rayos cósmicos o durante su largo viaje hasta aquí. Se han detectado en la Tierra isótopos cosmogénicos de aluminio , berilio , cloro , yodo y neón , formados por espalación de elementos terrestres bajo bombardeo de rayos cósmicos.
La espalación nuclear es uno de los procesos mediante los cuales se puede utilizar un acelerador de partículas para producir un haz de neutrones . Un haz de partículas que consiste en protones de alrededor de 1 GeV se dispara hacia un objetivo que consiste en mercurio , tantalio , plomo [1] u otro metal pesado. Los núcleos objetivo se excitan y, al desexcitarse, se expulsan de 20 a 30 neutrones por núcleo. Aunque esta es una forma mucho más cara de producir haces de neutrones que mediante una reacción en cadena de fisión nuclear en un reactor nuclear , tiene la ventaja de que el haz se puede pulsar con relativa facilidad. Además, el costo energético de un neutrón de espalación es seis veces menor que el de un neutrón obtenido mediante fisión nuclear. A diferencia de la fisión nuclear, los neutrones de espalación no pueden desencadenar más procesos de espalación o fisión para producir más neutrones. Por lo tanto, no hay reacción en cadena, lo que hace que el proceso no sea crítico. Las observaciones de espalación de rayos cósmicos ya se habían realizado en la década de 1930, [2] pero las primeras observaciones de un acelerador de partículas ocurrieron en 1947, y el término "espalación" fue acuñado por el Nobel Glenn T. Seaborg ese mismo año. [3] La espalación es una fuente de neutrones propuesta en reactores nucleares subcríticos como el próximo reactor de investigación MYRRHA , que está planeado para investigar la viabilidad de la transmutación nuclear de desechos de alto nivel en sustancias menos dañinas. Además de tener un factor de multiplicación de neutrones justo por debajo de la criticidad , los reactores subcríticos también pueden producir energía neta utilizable ya que el gasto de energía promedio por neutrón producido varía alrededor de 30 MeV (un haz de 1 GeV produce un poco más de 30 neutrones en los objetivos más productivos) mientras que la fisión produce del orden de 200 MeV por átomo de actínido que se divide. Incluso con una eficiencia energética relativamente baja de los procesos involucrados, se podría generar energía neta utilizable y al mismo tiempo utilizar como "combustible" actínidos no aptos para su uso en reactores convencionales.
Generalmente, la producción de neutrones en una fuente de espalación comienza con un acelerador de protones de alta potencia . El acelerador puede consistir en un solo linac (como en la Fuente de Espalación Europea ) o una combinación de linac y sincrotrón (por ejemplo, la fuente de neutrones ISIS ) o un ciclotrón (por ejemplo, SINQ (PSI) ). Como ejemplo, la fuente de neutrones ISIS se basa en algunos componentes del antiguo sincrotrón Nimrod . Nimrod no era competitivo para la física de partículas , por lo que fue reemplazado por un nuevo sincrotrón, que inicialmente usaba los inyectores originales , pero que produce un haz pulsado de protones muy intenso. Mientras que Nimrod produciría alrededor de 2 μA a 7 GeV, ISIS produce 200 μA a 0,8 GeV. Esto se pulsa a una velocidad de 50 Hz, y este intenso haz de protones se enfoca en un objetivo. Se han realizado experimentos con blancos de uranio empobrecido , pero aunque estos producen los haces de neutrones más intensos, también tienen la vida útil más corta. Por lo tanto, generalmente se han utilizado blancos de tantalio o tungsteno . Los procesos de espalación en el blanco producen los neutrones, inicialmente a energías muy altas , una buena fracción de la energía del protón. Estos neutrones luego se ralentizan en moderadores llenos de hidrógeno líquido o metano líquido a las energías que se necesitan para los instrumentos de dispersión. Mientras que los protones se pueden enfocar porque tienen carga, los neutrones sin carga no se pueden enfocar, por lo que en esta disposición los instrumentos se colocan alrededor de los moderadores.
La fusión por confinamiento inercial tiene el potencial de producir órdenes de magnitud más neutrones que la espalación. [4] Esto podría ser útil para la radiografía de neutrones , que se puede utilizar para localizar átomos de hidrógeno en estructuras, resolver el movimiento térmico atómico y estudiar las excitaciones colectivas de los fonones de forma más efectiva que los rayos X.