La espalación es un proceso en el que fragmentos de material ( scrall ) son expulsados de un cuerpo debido a un impacto o 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 de meteoritos 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 pared 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 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 , reduciendo así en gran medida su peso atómico . En procesos industriales y bioprocesamiento, la pérdida de material de la tubería debido a la flexión repetida de la tubería 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 crearán uno o varios fragmentos en el extremo libre de la placa. Este fragmento conocido como " scrall " actúa como un proyectil secundario con velocidades que pueden llegar a un tercio de la velocidad de la onda de tensión sobre el material. Este tipo de falla suele ser un efecto de cargas de cabeza aplastante altamente explosivas ( 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 descascarilla/descascara la película delgada mientras se propaga hacia el sustrato. Utilizando la teoría de la propagación de ondas en sólidos es posible extraer la fuerza 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 ultrafinas (1 micrómetro de espesor o menos). También es posible convertir una onda de tensión longitudinal en una tensión de corte usando un prisma de conformación de pulso y lograr espalación por corte.
La espalación nuclear por el impacto de los rayos cósmicos ocurre naturalmente en la atmósfera terrestre y en las superficies de cuerpos en el espacio como los meteoritos y la Luna . Se observa evidencia de espalación de rayos cósmicos (también conocida como "expoliación") en las superficies exteriores de los cuerpos y proporciona un medio para medir el tiempo de 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 litio, boro y berilio en ellos excede las abundancias cósmicas promedio; Estos elementos de 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. En la Tierra se han detectado isótopos cosmogénicos de aluminio , berilio , cloro , yodo y neón , formados por espalación de elementos terrestres bajo el 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 compuesto de protones de aproximadamente 1 GeV se dispara contra un objetivo compuesto de mercurio , tantalio , plomo [1] u otro metal pesado. Los núcleos objetivo se excitan y, tras la deexcitación, se expulsan de 20 a 30 neutrones por núcleo. Aunque se trata de 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 puede ser pulsado con relativa facilidad. Además, el coste 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 se produce ninguna reacción en cadena, lo que hace que el proceso no sea crítico. Ya se habían realizado observaciones de espalación de rayos cósmicos en la década de 1930, [2] pero las primeras observaciones desde un acelerador de partículas ocurrieron en 1947, y el término "espalación" fue acuñado por el premio 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 previsto para investigar la viabilidad de la transmutación nuclear de residuos de alto nivel en sustancias menos nocivas. Además de tener un factor de multiplicación de neutrones justo por debajo de la criticidad , los reactores subcríticos también pueden producir energía utilizable neta, ya que el gasto de energía promedio por neutrón producido oscila alrededor de los 30 MeV (un haz de 1 GeV produce un poco más de 30 neutrones en los objetivos más productivos), mientras que la fisión produce en los reactores subcríticos. orden de 200 MeV por átomo de actínido que se divide. Incluso con una eficiencia energética relativamente baja de los procesos implicados, se podría generar energía neta utilizable y al mismo tiempo poder utilizar actínidos no aptos para su uso en reactores convencionales como "combustible".
Generalmente la producción de neutrones en una fuente de espalación comienza con un acelerador de protones de alta potencia . El acelerador puede consistir únicamente en un linac (como en la fuente europea de espalación ) o una combinación de linac y sincrotrón (por ejemplo, fuente de neutrones ISIS ) o un ciclotrón (por ejemplo, SINQ (PSI) ). Por ejemplo, la fuente de neutrones de 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 utilizaba los inyectores originales , pero que produce un haz pulsado de protones de alta intensidad. Mientras que Nimrod produciría alrededor de 2 µA a 7 GeV, ISIS produce 200 µA a 0,8 GeV. Este se pulsa a una velocidad de 50 Hz y este intenso haz de protones se enfoca en un objetivo. Se han realizado experimentos con objetivos de uranio empobrecido pero, aunque producen los haces de neutrones más intensos, también tienen las vidas más cortas. Por lo tanto, generalmente se han utilizado objetivos de tantalio o tungsteno . Los procesos de espalación en el objetivo producen neutrones, inicialmente a energías muy altas : una buena fracción de la energía de los protones. Luego, estos neutrones se desaceleran en moderadores llenos de hidrógeno líquido o metano líquido hasta las energías necesarias para los instrumentos de dispersión. Mientras que los protones pueden enfocarse porque tienen carga, los neutrones sin carga no pueden, por lo que en esta disposición los instrumentos están dispuestos 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 puede usarse para localizar átomos de hidrógeno en estructuras, resolver el movimiento térmico atómico y estudiar excitaciones colectivas de fotones de manera más efectiva que los rayos X.