Bærbar teknologi giver boost til nuklear sikkerhed, våbenkontrol

For omkring fem år siden, Areg Danagoulian, lektor i MIT Department of Nuclear Science and Engineering (NSE), blev fascineret af en teknik udviklet af forskere ved Los Alamos National Laboratory, der bruger en neutronstråle til at identificere ukendte materialer.

"De kunne kigge ind i en sort boks indeholdende uran og sige, hvilken slags og hvor meget, " siger Danagoulian, der leder MIT's Laboratory of Applied Nuclear Physics (LANPh). "Jeg tænkte på problemet med at verificere nukleart materiale i sprænghoveder, og det gik lige op for mig, denne fantastiske teknologi kan bruges til det, vi arbejder på."

Men der var et problem:Denne metode, kaldet neutronresonanstransmissionsanalyse (NRTA), kræver en enorm, dyre apparater, begrænser dets anvendelighed til den slags nukleare materialeanvendelser på stedet, Danagoulian og hans forskerkolleger fokuserer på. For at springe over denne forhindring, de besluttede at gøre NRTA-teknologi bærbar.

Et papir, der beskriver resultaterne af denne indsats - en første af slagsen, mobilt NRTA-apparat med evnen til at detektere grundstofsammensætningen af ​​specifikke materialer - optræder i Fysisk gennemgang anvendt.

"Vores grundlæggende mål var at muliggøre on-site teknologi, der kunne bruges til at identificere enhver type nukleart materiale, "siger Ethan A. Klein '15, en tredjeårs NSE-doktorand, og avisens første forfatter. "Vi var i stand til at demonstrere, at selv uden de store, eksperimentelle opsætninger af de nationale laboratorier, vores lave omkostninger, bærbart system kunne nøjagtigt identificere en række materialer."

Medforfattere til dette papir inkluderer Danagoulian; Farheen Naqvi, en forsker ved LANPh; Jacob E. Bickus, en militær stipendiat ved Lincoln Laboratory; Hin Y. Lee Ph.D. '20; og Robert J. Goldston, professor i astrofysiske videnskaber ved Princeton University og tidligere direktør for Princeton Plasma Physics Laboratory. National Nuclear Security Administration i det amerikanske energiministerium finansierede deres forskning.

Følg neutronerne

NRTA hviler på veletableret videnskab:Når bombarderet med neutroner på specifikke energiniveauer, kernerne i nogle materialer vil gennemgå en resonansinteraktion med disse neutroner, og opnå en overgang til en ophidset tilstand. "Kernen bliver et filter, i det væsentlige absorberer neutroner af en bestemt energi, og lade de fleste andre neutroner passere igennem, " forklarer Danagoulian.

Forskere har udviklet et bibliotek af unikke neutronresonans "fingeraftryk" for isotoper af mange grundstoffer, inklusive metalliske kemiske grundstoffer fundet i den højere ende af det periodiske system, såsom uran og plutonium, som figurerer i atomkraftsystemer og atomvåben, og elementer fra midten, som sølv og wolfram, som tjener i industrielle sammenhænge. Med viden om disse unikke fingeraftryk, det er muligt at identificere en ukendt, atomreaktivt materiale.

Dette er en teknik de nationale laboratorier har mestret:Med høj intensitet, pulserende neutronstråler og følsomme detektorer, forskere kan fastslå energiniveauerne for neutroner absorberet af et materiale og dem, der passerer igennem, og kortlæg derefter disse målinger mod biblioteket med isotopiske fingeraftryk.

Forskere fra en række områder er begyndt at eksperimentere med denne teknologi, herunder arkæologer, der søger at bestemme sammensætningen af ​​gamle genstande. Men NRTA's mest dybtgående indvirkning kan ligge i det nukleare domæne. "Hvis du vil finde ud af, hvor meget brændstof der er tilbage i dine reaktorer, du kan bruge NRTA til at prøve berigelsesniveauet af brændstofpiller, " siger Naqvi, nævner en potentiel ansøgning. "Eller under våbenkontrol for at finde ud af, om et sprænghoved til demontering er falsk eller indeholder ægte nukleare materialer."

At bringe prøver af sådanne materialer til de nationale laboratorier er generelt ikke praktisk, med stive sikkerhedsforanstaltninger for nukleart brændsel og materiale, der anvendes i atomvåben. Danagoulians team satte sig for at designe og bygge et apparat, der kunne klare udfordringerne fra NRTA på stedet.

Design og byg

Klein, som afsætter sin doktorgradsforskning til dette projekt, brugt måneder på at simulere den forudsete teknologi:en deuterium-tritium-generator, der stråler neutroner gennem et rør ved målmaterialet, med en detektor placeret lige bagved. I modsætning til apparaterne på nationale laboratorier, som kan nå flere hundrede meter i længden, hele holdets setup besatte kun 3 meter, og kunne flyttes rundt af én person. Der var udfordringer, selvom.

"Disse neutroner produceres ved høj energi, og vi var nødt til at finde en måde at sænke dem på for at producere så mange neutroner som muligt ved de energier af interesse, " siger han. "Afskærmning var også et stort problem, " tilføjer Naqvi. "Cocktailen af ​​neutroner ved forskellige energier" danser af vægge og udstyr, og gammastrålerne produceret ved atomreaktioner, hun siger, skaber en slags støj, der skjuler detektion af neutroner transmitteret gennem og dem, der absorberes af målet.

Forskerne jury-rigede en version af deres apparat ved hjælp af postordrekomponenter og "en neutronkilde, vi har haft på MIT siden 1997, der havde samlet støv på en hylde, "siger Klein.

De var ikke så heldige med timingen. Lige da de var klar til at begynde deres eksperimenter, pandemien lukkede laboratoriefaciliteter på MIT. Klein måtte overvåge på afstand, da de andre forskere foretog indledende tests på Princetons Plasma Physics Laboratory, under ledelse af Robert J. Goldston. De brugte wolfram som målmateriale på grund af dets stærke resonanser. "Vi havde et suboptimalt setup, men jeg så meget svage signaler, og jeg sagde, "Der er håb, " siger Danagoulian.

Efter en tilbagevenden til MIT's sikre vault-teststed og flere måneders iterationer for at reducere baggrundsneutronstøj, "Vi havde proof of concept, " siger Naqvi. "Vi kunne faktisk identificere elementer som indium, sølv, og uran, og vi havde ikke brug for store enheder."

"Vores opsætning gik fra noget, der ikke var særlig følsomt over for stærke signaler, til noget, der er følsomt over for meget svage signaler, " siger Danagoulian. Han mener, at pandemien kunne have hjulpet på en mærkelig måde, med holdet, der laver deres lektier og forbereder sig i flere måneder, mens de klør efter at begynde eksperimenter, og derefter arbejde meget intensivt, da de sikrede sjældne muligheder i laboratoriet. "Kontraintuitivt, det bidrog til hurtige fremskridt, " han siger.

Holdets metode fanger endnu ikke data i den høje opløsning af de nationale laboratorier, som har en præcision til at se endnu mindre og svagere signaler af neutronenergier. Men i flere eksperimenter, deres apparat målte med succes neutronabsorption og transmission gennem fire forskellige mål, matchende isotopiske fingeraftryk for at udlede sammensætningen af ​​målmateriale.

"Dette er kraftfuld teknologi, behæftet og hæmmet tidligere af enorme omkostninger og utilgængelighed, " siger Danagoulian. "Og nu har vi fjernet den omkostnings- og størrelsesbarriere." Han anslår et prisskilt på mindre end $100, 000 til bærbar NRTA, mod hundredvis af millioner for de nationale laboratoriers ækvivalent.

Glen Warren, leder af Safeguards and Arms Control Team ved Pacific Northwest National Laboratory, finder teamets arbejde "ganske innovativt." På baggrund af denne forskning, han samarbejder med Danagoulian om et National Nuclear Security Administration/Department of Energy-finansieret projekt, der udforsker anvendelsen af ​​NRTA i våbenkontrol. Warren siger, at MITs kompakte apparat "kan muliggøre målinger i felten ... for at bekræfte, at en genstand præsenteret som et sprænghoved indeholder nukleart materiale, hvilket forbedrer vores tillid til, at objektet er et sprænghoved."

Danagoulians team er i øjeblikket ved at forberede et papir, der opsummerer eksperimenter, der viser, at deres teknologi også kan detektere mængden af ​​et element i et målmateriale. Dette kan vise sig at være afgørende i det nukleare sikkerhedskontrolprogram, ved bestemmelse af nøjagtige mængder af uran og plutonium, hjælpe med at skelne mellem den ægte vare og en falsk. Og de fortsætter med at forfine apparatet for at forbedre opløsningen af ​​målinger.

Virkelige fremskridt inden for verifikation af atomvåben og andre områder af nuklear sikkerhed kræver ikke kun teknologiske gennembrud, men en vilje til at omfavne disse nye tilgange. Til det formål, Danagoulian arbejder med partnere i de nationale laboratorier, lærde, og politiske beslutningstagere. "Vi formidler vores resultater til de videnskabelige, teknisk, og politiske fællesskaber, " siger Danagoulian. "Der kan være ulemper, og der kan være muligheder. Vi vil identificere begge, rette op på ulemperne, og forfølge mulighederne."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.