Teori hjælper med analyse af nukleare materialer

Nukleare beredskabshold, sikkerhedskontrolspecialister og andre kan en dag drage fordel af en udvidet nuklear fissionskædeteori og detektorer udviklet af et team af Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) fysikere.

Livermore-forskerne har styrket deres teori om at forstå nukleare fissionskæder - en kaskade af atomkernespaltning, hver initieret af en neutron - over tid som en metode til at analysere nukleare materialer.

To specielle nukleare materialer af særlig interesse til våbenapplikationer - højt beriget uran (HEU) og plutonium-239 - er i stand til at opretholde neutroninducerede fissionskædereaktioner og udsende karakteristiske udbrud af neutroner og gammastråler.

Ved at kombinere deres nye teori og specielle detektorer, forskerne har udviklet kraftfulde nye værktøjer, der gør dem i stand til at opdage og vurdere, om ukendte objekter kan indeholde nukleare materialer.

Deres arbejde tillader realtidsanalyse af nukleare materialer og enheder – plus vurdering af deres konfigurationer – ved hjælp af neutron- og gammastråletællingsmetoder.

Disse værktøjer er nyttige i en lang række applikationer, herunder våbenkontrol og grænsesikkerhed.

Meget af holdets teori blev tilbudt i 2015 Nuklear videnskab og teknik tidsskriftsartikel, hvor de beskrev, hvordan fissionskæder virker over tid i fissile materialer. De beskrev også burst timing-mønsteret af neutroner og gammastråler udsendt af fissionskæder i HEU og plutonium.

Ved fission, neutroner og gammastråler udsendes i udbrud snarere end enkeltvis, og fissionskæder resulterer, når de udsendte neutroner forårsager yderligere fissionsbegivenheder i det spaltelige materiale, forstærker burst-effekten.

Efter at holdet offentliggjorde sin teori og fortsatte sine eksperimenter, "Vi så nogle af virkningerne af moderatorer og reflektorer, og vi vidste, at vi var nødt til at forfine vores teori for at forklare disse effekter, " sagde LLNL matematisk fysiker Kenneth Kim.

Moderatorer, som er materialer som højeksplosive stoffer og tungt vand, bremse neutronernes bevægelse, mens reflekser, metaller som bly og beryllium, tillade neutronerne at hoppe tilbage til deres oprindelige placering.

"Med vores teori, vi kan løse neutron- og gammastrålekorrelationer, der forekommer på nanosekund (milliardtedel af et sekund) tidsskalaer, og spredningsprocesser, der sker på længere mikrosekunders tidsskalaer, " sagde Kim. "Med denne information, vi kan derefter udlede den geometriske konfiguration af de nukleare materialer og dets omgivelser."

LLNL's Les Nakae, en eksperimentel fysiker og teamleder, sagde hans holds teori "beskriver ikke kun tidsudviklingen af ​​fissionskæderne i fissile materialer, men inkluderer også de vigtige effekter af moderatorerne og reflektorerne omkring dem."

Nakae roste Kim og teoretiske fysikere Neal Snyderman og Manoj Prasads teoriudviklingsarbejde, siger:"Jeg tror ikke, der er nogen anden gruppe i verden, der kunne have fremført denne teori og ville vide, hvordan man anvender den på det praktiske måleproblem for nanosekunders neutron- og gammastråletælling. Kun LLNL har denne evne."

Ud over deres teoretiske arbejde, holdet har også udviklet et flydende scintillator-array – der lyser op i nærvær af ioniserende stråling – og er i stand til at tælle neutroner og gammastråler med en milliardtedel af en sekunds timing. Dette array har givet dem mulighed for at teste deres teori komplet med flere tidsskalaer, da neutroner kan forplante sig gennem forskellige materialer med forskellige hastigheder.

Et fjerde generations instrument, holdets nyeste flydende scintillator array (LSA) er omkring tre fod bred og tre og en halv fod høj, bruger mineralolie og blev bygget sidste år. Det forventes at blive brugt til at udføre målinger på våben fra det amerikanske atomlager i juli hos Pantex.

"Vores nyere generationer af LSA er i færd med at blive taget ud af laboratoriet og blive brugt under virkelige feltforhold. Vi ønsker at bestemme, hvilke materialer og pakker der skal bruges i marken, " Nakae bemærkede, tilføjede, at de kunne bruge krystaller og/eller plastikstrålingsdetektionsteknologier udviklet af andre LLNL-forskere.

For at stille deres instrument til rådighed for feltarbejde, holdet søger at gøre det robust, og i stand til at arbejde under forskellige vejrforhold. Forskerne arbejder også på at gøre det operativt af ikke-eksperter efter måneders siddende inaktiv, og at have automatiseret databehandling.

"Det, vi gør, er, at vi tilpasser vores algoritmer og vores teknikker for at gøre dem mere robuste, så vi kan tage vores systemer ud i marken, " Nakae forklarede. "Vores håb er, at vores feltinstrumenter en dag vil have de samme egenskaber, som vores laboratorieinstrumenter allerede har demonstreret."

Nuklear fissionsteori og LSA-instrument kan bruges i sikkerhedskontrol og traktatverifikationsarbejde. Det kan afgøre, om der er fissilt materiale i et nukleart sprænghoved og massen af ​​det fissile materiale.

"Teknologien kan hjælpe os med at afgøre, om en ukendt enhed er et atomvåben og en trussel, eller ikke en trussel, " sagde Nakae.