Senzori cuantici ultra-reci îmbunătățesc evaluarea materialelor nucleare
Monitorizarea cantității și tipului de material nuclear din centrale electrice și instalații de armament se bazează pe un semnal distinctiv: modelul unic de raze gamma emis de elemente radioactive specifice. Unele dintre aceste elemente emit însă și raze X în același interval de energie ca emisiile gamma, ceea ce maschează semnalul și îngreunează evaluarea stocurilor nucleare.
Cercetătorii de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST) au măsurat acum emisiile de raze X din plutoniu, uraniu și neptuniu — un produs de descompunere al uraniului — cu o precizie fără precedent. Rezultatul permite filtrarea zgomotului de fond al razelor X și o evaluare mai exactă a acumulării de materiale nucleare.
„Măsurătorile noastre susțin garanțiile nucleare internaționale, permițând o contabilizare mai precisă a materialului din instalațiile nucleare”, a declarat Jonathan Dean, fizician la NIST și la Universitatea din Colorado Boulder. Echipa sa a inclus cercetători de la NIST, Universitatea din Colorado Boulder, Laboratorul Național Los Alamos, Universitatea Houghton și Laboratorul Kastler Brossel de la Sorbona. Rezultatele au fost publicate în Physical Review Letters.
Cum funcționează senzorii
Pentru măsurători, echipa a folosit o rețea de senzori cuantici dezvoltați la NIST, care funcționează ca termometre miniaturale extrem de sensibile. Dispozitivele, numite senzori cu tranziție de margine (TES), constau dintr-o peliculă superconductoare menținută la o temperatură cu o fracțiune de grad peste zero absolut, chiar la granița dintre starea superconductoare și cea de metal obișnuit.
Când un foton de raze X lovește senzorul, depune o cantitate minusculă de căldură, suficientă pentru a crește brusc rezistența peliculei. Rezistența este direct proporțională cu energia fotonului, ceea ce permite măsurători de înaltă rezoluție. Sensibilitatea TES a redus incertitudinea măsurătorilor energiei razelor X de trei până la opt ori față de măsurătorile anterioare.
Citiri mai precise ale izotopilor
Prin măsurarea precisă și scăderea radiației X care maschează semnalul, detectorii care înregistrează raze gamma pot caracteriza mai exact materialele nucleare. Atomii unui element pot conține diferite numere de neutroni în nucleu — forme distincte numite izotopi. Raportul dintre acești izotopi este esențial, deoarece poate indica dacă materialul este destinat unei centrale sau unei arme nucleare. De exemplu, uraniul-235 reprezintă doar 0,7% din uraniul natural, dar trebuie îmbogățit la câteva procente pentru combustibil și la 90% pentru material de calitate militară.
Pe lângă acuratețea mai mare, noile măsurători permit evaluarea mai rapidă a compoziției materialului nuclear. La centralele electrice, unde producerea energiei din fisiunea uraniului implică mai mulți pași, compoziția combustibilului trebuie reevaluată la fiecare etapă. Măsurătorile mai rapide ar putea scurta timpii de așteptare și ar putea crește eficiența și reduce costurile.
De la laborator la sisteme mai mici
Senzorii trebuie răciți la o fracțiune de grad peste zero absolut, iar echipamentul necesar este prea voluminos pentru a fi portabil. Totuși, rețelele de detectori TES pot funcționa în orice loc cu o sursă de energie suficientă pentru sistemul de răcire. În alte situații, oamenii de știință pot preleva mostre de material radioactiv și le pot trimite la un laborator separat. „Instrumentele noastre sunt compatibile cu ambele abordări”, a spus Dean.
În parteneriat cu Laboratorul Național Los Alamos, cercetătorii NIST au instalat detectori TES în trei laboratoare ale Departamentului Energiei pentru monitorizarea materialului nuclear de la acele situri. NIST a desfășurat, de asemenea, detectori TES pentru proiecte de cercetare la Laboratorul Național de Acceleratori SLAC de la Universitatea Stanford, la sursa de radiații Advanced Photon Source de la Laboratorul Național Argonne, la sursa de lumină sincrotronă de la Laboratorul Național Brookhaven și la mai multe facilități internaționale, inclusiv acceleratorul CERN din Elveția.
Echipa lucrează acum la creșterea preciziei detectorilor pentru a sprijini căutarea de noi particule fundamentale, în colaborare cu CERN, și pentru a instala un detector nou la NASA Goddard, care să ajute la înțelegerea celor mai extreme medii din univers. În plus, NIST simplifică, miniaturizează și reduce costul echipamentului de răcire. Două companii americane au adaptat și produc în prezent un sistem compact de refrigerare proiectat de NIST pentru senzorii TES.
