Efecto Wigner

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. Este efecto es especialmente 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 mantener una reacción nuclear en cadena que involucre uranio-235 .

Para que se produzca el efecto Wigner, los neutrones que colisionan con los átomos de una estructura cristalina deben tener la energía suficiente para desplazarlos de la red. Esta energía umbral de desplazamiento es de aproximadamente 25 eV . La energía de un neutrón puede variar ampliamente, desde un neutrón térmico (0,025 eV) hasta un neutrón rápido (> 1 MeV) en el centro de un reactor nuclear . Un neutrón con una cantidad significativa de energía provocará una cascada de desplazamientos en la matriz mediante colisiones elásticas .

Por ejemplo, un neutrón de 1 MeV que impacta en el grafito crea 900 desplazamientos. No todos los desplazamientos generan defectos, ya que algunos de los átomos impactados encuentran y llenan las vacantes, ya sean pequeños huecos preexistentes o vacantes recién formadas por los otros átomos impactados.

Los átomos que no encuentran una vacante se ubican en posiciones no ideales; es decir, no sobre las líneas de simetría de la red. Estos átomos intersticiales (o simplemente "intersticiales") y sus vacantes asociadas constituyen un defecto de Frenkel . Debido a que estos átomos no se encuentran en la posición ideal, poseen una energía de Wigner asociada, de forma similar a como una bola en la cima de una colina posee energía potencial gravitatoria .

Cuando se acumula una gran cantidad de intersticiales, existe el riesgo de que liberen toda su energía repentinamente, provocando un aumento rápido e importante de la temperatura. Los aumentos repentinos e imprevistos de temperatura pueden representar un gran riesgo para ciertos tipos de reactores nucleares con bajas temperaturas de funcionamiento. Una de estas 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 —suficiente para elevar la temperatura en miles de grados—, 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 potencia contemporáneos, operaba a una temperatura lo suficientemente alta como para permitir que la estructura de grafito desplazada se realineara antes de que se pudiera almacenar cualquier energía potencial. ^{[ 5 ]} La energía de Wigner pudo haber jugado algún papel después del pico crítico de neutrones rápido , cuando el accidente entró en la fase de eventos de incendio de grafito.

Sin embargo, Wigner Energy fue la causante del incendio de Windscale el 10 de octubre de 1957 en la central nuclear de Sellafield , en el Reino Unido.

La acumulación de energía de Wigner puede aliviarse 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 puede almacenarse 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 que le impide recombinarse para dar lugar a grafito perfecto.

• Glasstone, Samuel y Alexander Sesonske [1963] (1994). Ingeniería de reactores nucleares . Boston: Springer. ISBN 0-412-98531-4OCLC 852791143​​