La fisión de un reactor nuclear no produce un brillo verde, sino azul: la radiación de Cherenkov

Cuando se enciende un reactor nuclear y el combustible comienza a fisionar (a romperse) se liberan multitud de partículas cargadas con una enorme cantidad de energía. Cuando estas partículas viajan más rápido que la luz en ese medio, se produce un efecto luminoso bastante llamativo conocido como radiación de Cherenkov.

Podríamos pensar que esta radiación se ve de color verde, fruto de series y películas, como en Los Simpson. Pero en realidad, el brillo es de color azulado. ¿Por qué se produce? Su aparición puede tener mucha más utilidad de la que pensamos.

¿Qué es la radiación de Cherenkov?

En lo más profundo de los reactores nucleares se esconde el combustible atómico. Este está rodeado de un refrigerante: el agua. Los núcleos de reacción están inmersos para que sea más fácil controlarlos y mantenerlos estables. Cuando comienza la reacción de fisión, un montón de átomos comienzan a romperse, lanzando partículas subatómicas en todas direcciones.

Estas partículas tienen muchísima energía y se desplazan a una velocidad mayor que la de los fotones que componen la propia luz. "Nada puede ir más rápido que la luz, ¿no?". Esto es cierto para el vacío. En el agua (y otros medios), los fotones se desplazan más lentamente lo que permite que otras partículas sean más rápidas.

Al avanzar generan un campo electromagnético y parte de la energía se pierde (se emite) como un fotón. Las ondas de luz se "apelotonan" formando una onda de choque, que es la responsable del brillo azulado. Es algo muy parecido a lo que ocurre con el efecto Doppler, para las ondas de sonido, pero con la luz. La onda de choque, simplificando mucho la explicación, tiene una forma cónica que corresponde al punto donde se unen los frentes de onda.

La radiación de Cherenkov se emite en el rango del visible entre los 400 y 500 nm, lo que explica que se vea de color azulada y no verde. Esto solo ocurre cuando el medio puede verse afectado por un campo eléctrico, como pasa con el agua, y la partícula debe estar cargada. Si no, no podría generar un campo electromagnético. Así, por ejemplo, un neutrón no podría generar un efecto de radiación de Cherenkov, pero los electrones, en el agua, sí que son capaces de hacerlo.

En el vídeo de arriba, lo que vemos es el reactor del Radiation Science & Engineering Center (RESEC), de PennState. Este reactor es de carácter experimental y está destinado a la investigación, no a producir energía.

¿Por qué pensamos que es de color verde? En realidad, las famosísimas imágenes que vemos con material radioactivo de color verde hacen referencia a otro fenómeno típico de ciertos materiales radiactivos: la radioluminiscencia. Esta se produce cuando una sustancia "recoge" energía a partir de una radiación ionizante y la devuelve en forma de fotones. Esto lo hemos visto en relojes y materiales "fosforescentes". Pero también puede observarse en radioisótopos, aunque el efecto en la ficción está exagerado.

¿Para qué nos sirve la radiación de Cherenkov?

Además de ser todo un espectáculo, y más allá de las implicaciones físicas teóricas, lo cierto es que esta radiación tiene una utilidad práctica. Cuando llegan los rayos cósmicos a nuestra atmósfera, lanzados con una energía tremenda, chocan contra sus átomos de oxígeno y nitrógeno.

Como decíamos, en el vacío nada puede viajar más rápido que la luz. Pero en nuestra atmósfera sí. Al romper los átomos en la atmósfera se producen reacciones en cadena. Estas cascadas de fisión producen el mismo efecto que vemos en los reactores, aunque son mucho más tenues.

Hay que aclarar que son las partículas de la atmósfera, al romperse, las que producen la radiación de Cherenkov, no las partículas cósmicas en sí. Pero ¿y para que nos sirven? Los telescopios Cherenkov son unas herramientas muy precisas cuyo objetivo es detectar rayos gamma de gran energía, con una velocidad cercana a la de la luz mientras viajan en el vacío.

Los rayos gamma desencadenan estas reacciones entre los 10 y 20 Km sobre la superficie terrestre, aunque los destellos son muy efímeros. Todavía no tenemos claro el origen de los rayos cósmicos, aunque están relacionados con las erupciones solares, las estrellas y otros fenómenos estelares, como las supernovas. Por eso nos interesa tanto entenderlo, aunque solo podemos estudiarlos a partir de cosas tan efímeras como la radiación de Cherenkov que dejan a su paso.

De la atmósfera a las entrañas de la Tierra

A un kilómetro bajo la superficie de Gifu, Japón, se esconde una estructura de 40 metros de alto por 40 de ancho. Es el Super Kamiokande, o Super-K, y es uno de los observatorios más precisos que existen en el mundo. ¿Cómo puede observar nada una estructura a 1.000 metros bajo tierra? El secreto está en las partículas que busca: los esquivos neutrinos.

Este observatorio tiene como finalidad investigar la presencia y naturaleza de estas partículas subatómicas. El observatorio consiste en 50.000 toneladas de agua pura rodeadas por unos 11.000 tubos fotomultiplicadores. Con esto, los investigadores tratan de observar la radiación de Cherenkov producida por los neutrinos al pasar por el agua.

Esta es aún más tenue que en la atmósfera, ya que la producen los átomos de agua al interactuar con los neutrinos. El Super Kamiokande es el sucesor del Kamiokande y Kamiokande II, los cuales eran capaces de observar los neutrinos (a través de la radiación de Cherenkov) provenientes de grandes fenómenos estelares, pero no eran lo suficientemente sensibles como para detectar el decaimiento protónico, que ocurre cuando los protones se desintegran fuera del núcleo.