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 provocado por la radiación de neutrones .
Cualquier sólido puede presentar el efecto Wigner. El efecto es más preocupante en los moderadores de neutrones , como el grafito , destinados a reducir la velocidad de los neutrones rápidos , convirtiéndolos así en neutrones térmicos capaces de sostener una reacción nuclear en cadena que involucre uranio-235 .
Para provocar el efecto Wigner, los neutrones que chocan con los átomos en 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) y superiores en el centro de un reactor nuclear . Un neutrón con una cantidad significativa de energía creará una cascada de desplazamiento en una matriz mediante colisiones elásticas .
Por ejemplo, un neutrón de 1 MeV que golpee un grafito creará 900 desplazamientos. No todos los desplazamientos crearán defectos, porque algunos de los átomos golpeados encontrarán y llenarán las vacantes que eran pequeños vacíos preexistentes o vacantes recién formadas por los otros átomos golpeados.
Los átomos que no encuentran una vacante descansan en ubicaciones 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, de la misma manera que una pelota en la cima de una colina tiene energía potencial gravitacional .
Cuando se ha acumulado una gran cantidad de intersticiales, corren el riesgo de liberar toda su energía repentinamente, generando un rápido y gran aumento de temperatura. Los aumentos repentinos e imprevistos de temperatura pueden presentar un gran riesgo para ciertos tipos de reactores nucleares con bajas temperaturas de funcionamiento. Una de esas emisiones 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 Chernobyl : este reactor, como todos los reactores de potencia contemporáneos, funcionó a una temperatura lo suficientemente alta como para permitir que la estructura de grafito desplazada se realineara antes de que cualquier energía potencial podría almacenarse. [5] La energía de Wigner puede haber jugado algún papel después del rápido pico crítico de neutrones, cuando el accidente entró en la fase de eventos de incendio de grafito.
La acumulación de energía 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 defectuosas metaestables en el grafito. En particular, 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 y produzca grafito perfecto.