Ultrafølsomme målinger holder øje med nukleare eksplosioner

Forestil dig at være i stand til at opdage de svageste af radionuklidsignaler på hundredvis af kilometers afstand.

Det er evnen skabt af forskere ved Pacific Northwest National Laboratory, som har bidraget med meget af den nukleare videnskab, der ligger til grund for et internationalt overvågningssystem designet til at opdage nukleare eksplosioner over hele verden. Systemet indsamler og analyserer konstant luftprøver for signaler, der kunne indikere en atomeksplosion, måske udført hemmeligt under jorden.

Utroligt, systemet kan kun detektere et lille antal atomer fra nuklear aktivitet overalt på planeten. Med hensyn til følsomhed, evnen – på plads i årtier – er analog med evnen til at opdage coronavirus fra en enkelt hoste overalt på Jorden.

WOSMIP Fjern- og nuklear ikke-spredning

Den her sommer, eksperter fra hele verden mødtes online for at diskutere videnskaben i en fjernudgave af et toårigt møde, workshoppen om signaturerne af menneskeskabt isotopproduktion, eller WOSMIP Remote. Arrangementet blev arrangeret af et internationalt hold ledet af PNNL atomfysiker Ted Bowyer, hvis banebrydende arbejde for mere end 20 år siden var med til at åbne døren til verdensomspændende overvågning af sporsignaler, der forråder atomeksplosioner.

WOSMIP-videosessionerne var designet til videnskabsmænd, der udforsker et nøglespørgsmål:Hvordan kan de adskille signaler af interesse, fra en atomeksplosion, fra godartede baggrundssignaler, der udgår fra fredelig brug, såsom fungerende atomreaktorer eller medicinske isotopproduktionsfaciliteter?

Få kapaciteter er vigtigere for at få det rigtige for verdens sikkerhed. En falsk positiv kan få det internationale samfund til at konkludere, at et land gennemførte en atomprøvesprængning, når det ikke gjorde det. En falsk negativ kan betyde, at en ulovlig atomeksplosion blev uopdaget.

"Det er ligesom en parkbetjent, der forsøger at skelne mange lovlige lejrbål fra et lille lejrbål, der ikke er tilladt, " sagde Bowyer, en ekspert i præcis måling af isotoper af ædelgasser som xenon. "Der er røg over det hele, og parkvagten skal afgøre, om nogen af ​​brandene er ulovlige, og i så fald hvilke. Vores mål er at stoppe de ulovlige brande ved at fastslå årsagen til røgen."

STAX:Afslører radioxenon på stakken

Under WOSMIP Remote, flere præsentationer fokuserede på baggrundssignaler udsendt til atmosfæren fra produktionen af ​​medicinske isotoper, såsom technetium-99m. Udbredt til at diagnosticere kræft, hjerte sygdom, og andre sundhedsmæssige forhold, medicinske isotoper produceres i en håndfuld faciliteter - færre end et dusin - der er spredt ud over kloden. Men deres nukleare underskrifter, mens det er et godt stykke under regulatoriske niveauer, efterligne dem fra en atomprøvesprængning, og deres signaler kan være lige så stærke. Denne mimik udgør en barriere for at lokalisere sande signaler om bekymring.

For bedre at forstå disse emissioner, PNNL kemiker Judah Friese diskuterede en teknologi, han har udviklet, kendt som Source Term Analysis of Xenon, eller STAX. Teknologien sidder lige i emissionsstakken hos en isotopproducent og registrerer niveauer af adskillige xenonisotoper hvert 15. minut.

To STAX-systemer er blevet implementeret indtil videre, den ene hos Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO) og den anden ved Institute for Radioelements (IRE) i Belgien. Flere bliver bygget til implementering på andre steder, med det mål at installere systemerne på så mange medicinske isotopproduktionsfaciliteter som muligt.

"Med nøjagtige mål lige ved produktionsstedet fra disse faciliteter, vi kan beregne niveauerne af baggrundssignalerne, der skal tages i betragtning ved detektionsstationer, sagde Friese. Med denne information, agenturer og andre, der overvåger for signaturer af atomeksplosioner, kan lettere vurdere aflæsninger, at sikre, at emissioner fra producenter af medicinske isotoper ikke misfortolkes."

Rødderne til ultra-spor radioxenonmåling

STAX-teknologien måler høje niveauer af isotoper og er kun få meter fra produktionen. I den anden ende af spektret - at detektere ultrasporniveauer af radioaktivt xenon hundreder eller endda tusinder af miles væk - er den teknologi, som Bowyer udviklede første gang i 1990'erne. Bowyer gennemgik teknologiens historie i et nyligt papir i Journal of Pure and Applied Geophysics. Forskningen i radioxenon udført af Bowyer og kolleger ved PNNL er blevet finansieret af det amerikanske energiministeriums National Nuclear Security Administration (NNSA) og det amerikanske udenrigsministerium.

I 1997, Bowyer viste, at måling af to forskellige typer af strålingshenfald på samme tid ville give præcise målinger af spormængder af isotoper, eller forskellige former, af xenon. Måleteknikken, kaldet beta-gamma tilfældighed, er lavet af fire radioaktive isotoper af xenon, kendt under ét som radioxenon. Da xenon ikke reagerer meget i sit miljø, det giver en fremragende, stort set intakt mål til måling.

Bowyers resultater om beta-gamma-emissioner udgør hjertet af den radionukliddetektionsteknologi, der anvendes i International Monitoring System (IMS), et globalt netværk, der anvender flere teknologier designet til at overvåge for atomeksplosioner verden over.

Overvågning for ædelgasradionuklider er baseret på luftprøver indsamlet i IMS på op til 40 faste steder rundt om i verden for at detektere og måle isotoper af radioxenon. Andelen af ​​de fire xenon-isotoper i en luftprøve giver nøgleoplysninger om, hvor prøven stammer fra.

Målingerne er utrolig følsomme. Selv når radioxenon kun omfatter en trilliontedel af en trilliontedel af en kubikmeter luft, forskere kan opdage isotopen.

Det er så følsomt, at det er svært at finde en meningsfuld metafor. "Nogle mennesker har sagt, at det er som at plukke en nål ud fra en billion høstakke, " sagde Bowyer. "Eller at vælge et ord fra 20 billioner eksemplarer af Krig og Fred. Det er som om en person åbnede en champagneflaske i Tokyo, og vi vidste om det snesevis af steder rundt om på kloden i løbet af få dage, hvis ikke timer, ved at detektere den gas, der blev frigivet, " han tilføjede.

Xenon International

I de seneste år, PNNL-teamet har taget radioxenondetektionsteknologi et skridt videre.

Forsker Jim Hayes og kolleger blev anerkendt med både en Federal Laboratory Consortium-pris og en R&D 100-pris for deres arbejde med at udvide og kommercialisere laboratoriets radioxenon-detektionskapacitet. Teknologien er licenseret til Teledyne Brown Engineering, som samarbejdede med PNNL-teamet for at skabe et nyt produkt, Xenon International, som nu bliver sat igennem sine sidste skridt, inden det bliver tilgængeligt for det internationale overvågningssamfund.

Xenon International er en overvågnings- og analyseenhed på størrelse med et køleskab, der er mindre og mere effektivt end nutidens anvendte teknologi. Den optager en meget større luftprøve end nuværende systemer - omkring 4 kubikmeter luft - hvilket gør den i stand til at detektere lavere niveauer af radioxenon. Det gør det på halvdelen af ​​tiden af ​​nutidens arbejdssystemer, give forskere kritiske ekstra timer, når de analyserer en påvisning.

Innovative løsninger på et udfordrende problem

De fremskridt, der er beskrevet i det nylige manuskript offentliggjort i Journal of Pure and Applied Geophysics, giver mulighed for at fortolke og differentiere signaturerne for nukleare emissioner fra industrielle applikationer fra dem af nuklear eksplosiv testning.

Året 2020 markerer 20-året for certificeringen af ​​de første radionuklidstationer i IMS. Til den tid, der er gjort betydelige fremskridt i måling og forståelse af signaturer af nukleare eksplosioner. Takket være et globalt samfund af videnskabsmænd, ingeniører, teknikere, og politiske beslutningstagere, det er nu sværere end nogensinde før at udføre en atomeksplosiv test og få den til at gå uopdaget. På samme tid, den seneste stigning i behovet for medicinske isotoper har gjort opgaven med at overvåge sådanne eksplosioner mere udfordrende.

"Vores forskeres og ingeniørers enestående præstationer har været med til at forbedre overvågningskapaciteten for nuklear eksplosion markant, " sagde Dr. Brent Park, NNSA viceadministrator for forsvarets nuklear ikke-spredning. "Jeg er stolt af det arbejde, der udføres på vores nationale laboratorier med dette vigtige internationale spørgsmål."