Caracterización teórico-experimental de nuevos sistemas de detección de neutrones para el control de mercancías en fronteras y puntos críticos

Resumen

En la lucha contra el terrorismo nuclear, una de las principales líneas de defensa es el control de las mercancías y de personas que entran y salen de cada país por las aduanas y puntos fronterizos (terrestres, marítimos, aéreos). Para realizar dicho control suelen emplearse Monitores de Radiación tipo Pórtico, “Radiation Portal Monitors, RPM”. Estos dispositivos forman parte de la “Second Line of Defense, SLD”, segunda línea de defensa del programa de seguridad del Departamento de defensa de los EE.UU., que también se instalan en distintas partes del mundo. En España se han implementado sistemas para la detección de materiales radiactivos y nucleares en los puertos marítimos de Algeciras, Valencia y Barcelona mediante la iniciativa Megaports. Los RPM son un conjunto de detectores que miden las emisiones gamma y de neutrones de las mercancías o de las personas cuando pasan, sin detenerse, por las aduanas. El uso de detectores de neutrones está justificado para permitir la detección de los llamados "Special Nuclear Materials" SNM; materiales nucleares especiales como por ejemplo el 239Pu utilizado para construcción de armas de destrucción masiva. Los detectores de neutrones utilizados en los RPM son contadores proporcionales de gas de 3He de gran superficie colocados dentro de una caja de polietileno de alta densidad, “High Density Polyethylene” HDPE, que actúa como moderador de neutrones, y que se caracterizan por su alta eficiencia de detección de neutrones. A finales de la pasada década empieza la escasez mundial en el abastecimiento de 3He y se comienza la búsqueda de nuevas tecnologías alternativas a dichos detectores. El objetivo principal de esta tesis doctoral es el estudio de nuevos detectores de neutrones de gran superficie, para suplementar o sustituir los actuales detectores de 3He que se instalan en los RPM. Los detectores bajo estudio se basan en detectores de centelleo empleados en la detección de partículas α, de ZnS(Ag), mezclado con 10B de alto enriquecimiento, 10B+ZnS(Ag). Los neutrones reaccionan en el detector en una o varias capas sensibles de 10B+ZnS(Ag), específicamente con el 10B, emitiendo una partícula α y un núcleo de 7Li de retroceso, 10B(n,α)7Li, que son detectados por el ZnS(Ag). Mediante métodos de Monte Carlo, con los códigos MCNP5, MCNPX y MCNP6, se han estimado las respuestas de diferentes geometrías de detectores para 29 fuentes monoenergéticas de neutrones con valores entre 10-9 a 20 MeV, así como para fuentes isotópicas de neutrones de 241AmBe y 252Cf. Se evalúa su respuesta en cuentas por segundo por cada nanogramo de material sensible, cps/ng para una fuente de 252Cf, a una distancia de más de 200 cm, calculando las reacciones que ocurren en el 10B. En la tesis se han desarrollado diferentes modelos basados en distintas geometrías y condiciones de trabajo de los detectores. En estos modelos se busca lograr una eficiencia mínima fijada por la norma ANSI N42.35 de modo que el RPM sea capaz de detectar el paso de una fuente de 252Cf de 20.000 n/s a 200 cm; equivalente, según estudios realizados por el Pacific Northwest National Laboratory, a una eficiencia de detección mayor de 2,5 cps/ng 252Cf a 200 cm según eficiencia actual de los detectores de 3He. Con el código MCNP6 se evalúa el caso en el que distintos materiales SNM, (239Pu, “Highly Enriched Uranium” HEU al 70% y 94%, 252Cf) dentro un vehículo de transporte pasan en aduanas ante cuatro distintos RPM incorporando detectores de 10B+ZnS(Ag). Con un conjunto de modelos y medidas presentados en esta tesis se verifica que los detectores de neutrones de 10B+ZnS(Ag) son una alternativa interesante y válida para remplazar los detectores de 3He.