La technologie portable donne un coup de pouce à la sécurité nucléaire et au contrôle des armements


La technologie portable donne un coup de pouce à la sécurité nucléaire et au contrôle des armements

A gauche : un montage expérimental avec un détecteur blindé. A droite : Une source de neutrons DT à trois disques en scintillateur en verre dopé au 6Li, monté sur un tube photomultiplicateur. Crédit photo : Institut de technologie du Massachusetts

Il y a environ cinq ans, Areg Danagoulian, professeur agrégé au Département des sciences et de l’ingénierie nucléaires (NSE) du MIT, a été intrigué par une technique développée par des chercheurs du Laboratoire national de Los Alamos qui utilise un faisceau de neutrons pour identifier des matériaux inconnus.

« Vous pourriez regarder dans une boîte noire avec de l’uranium et dire quel type et combien il y a d’uranium », explique Danagoulian, qui dirige le Laboratoire de appliquée (LANPh) au MIT. « Je pensais au problème de la vérification des matières nucléaires dans les ogives, et je me suis rendu compte que cette technologie étonnante pourrait être appliquée à ce sur quoi nous travaillons. »

Mais il y avait un problème : cette méthode, connue sous le nom d’analyse de la transmission par résonance des neutrons (NRTA), nécessite un équipement énorme et coûteux, ce qui limite son utilité pour le type d’applications de matières nucléaires sur site sur lesquelles Danagoulian et ses collègues chercheurs se concentrent. Pour surmonter cet obstacle, ils ont décidé de rendre la technologie NRTA portable.

Un article décrivant les résultats de ces efforts – un premier appareil NRTA mobile capable de la composition élémentaire de certains matériaux – paraît dans Vérification physique appliquée.

« Notre objectif fondamental était de permettre une technologie sur site qui pourrait identifier tout type de matière nucléaire », explique Ethan A. Klein ’15, doctorant en troisième année de NSE et auteur principal. « Nous avons pu montrer que notre système portable et peu coûteux peut identifier avec un certain nombre de matériaux même sans les grandes configurations de test des laboratoires nationaux. »

Les co-auteurs de cet article sont danagouliens ; Farheen Naqvi, chercheur au LANPh ; Jacob E. Bickus, membre militaire du Lincoln Laboratory ; Hin Y. Lee Ph.D. ’20 ; et Robert J. Goldston, professeur de sciences astrophysiques à l’Université de Princeton et ancien directeur du Princeton Plasma Physics Laboratory. L’Administration nationale de la sécurité nucléaire du ministère de l’Énergie a financé ses recherches.

Suivez les neutrons

La NRTA est basée sur de nombreuses années de science : lorsqu’elles sont bombardées de neutrons à certains niveaux d’énergie, les noyaux de certains matériaux entrent en interaction résonante avec ces neutrons et effectuent une transition vers un état excité. « Le cœur devient un filtre qui absorbe essentiellement les neutrons d’une certaine énergie et laisse passer la plupart des autres neutrons », explique Danagoulian.

Les scientifiques ont développé une bibliothèque d' »empreintes digitales » de résonance neutronique uniques pour les isotopes de nombreux éléments, y compris les éléments chimiques métalliques au sommet du tableau périodique comme l’uranium et le plutonium trouvés dans les centrales nucléaires et les armes nucléaires, et les éléments intermédiaires comme l’argent et le tungstène , qui servent dans des contextes industriels. En connaissant ces empreintes digitales uniques, il est possible d’identifier une matière nucléaire réactive inconnue.

C’est une technique que les laboratoires nationaux maîtrisent : à l’aide de faisceaux de neutrons pulsés de haute intensité et de détecteurs sensibles, les chercheurs peuvent déterminer les niveaux d’énergie des neutrons absorbés par un matériau et les neutrons qui sont passés puis comparer ces mesures avec la bibliothèque d’isotopes. empreintes.

Des chercheurs de plusieurs domaines ont commencé à expérimenter cette technologie, y compris des archéologues qui souhaitent déterminer la composition d’objets anciens. Cependant, les effets les plus profonds de la NRTA pourraient être dans le domaine nucléaire. « Si vous souhaitez connaître la quantité de combustible restant dans vos réacteurs, vous pouvez utiliser la NRTA pour mesurer le degré d’enrichissement des pastilles de combustible », explique Naqvi, décrivant une application possible. « Ou dans le contrôle des armements pour savoir si une ogive devant être démantelée est un faux ou contient de la vraie matière nucléaire. »

Il est généralement peu pratique d’apporter des échantillons de ces matières dans les laboratoires nationaux en raison des mesures de sécurité strictes pour le combustible nucléaire et les matières pour les armes nucléaires. L’équipe de Danagoulian s’est attachée à concevoir et à construire un appareillage qui répondrait aux enjeux de la NRTA sur site.

Concevoir et construire

Klein, qui consacre sa thèse de doctorat à ce projet, a passé des mois à simuler la technologie proposée : un générateur de deutérium-tritium qui projette des neutrons à travers un tube sur le matériau cible, suivi d’un détecteur. Contrairement aux appareils des laboratoires nationaux, qui peuvent atteindre des centaines de mètres de long, toute la structure de l’équipe ne mesurait que dix pieds et pouvait être déplacée par une seule personne. Il y avait cependant des défis.

« Ces neutrons sont produits à haute énergie et nous avons dû trouver un moyen de les ralentir pour produire autant de neutrons que possible aux énergies d’intérêt », dit-il. « Le blindage était également un gros problème », ajoute Naqvi. Le « cocktail de neutrons d’énergies différentes » dansant sur les murs et les appareils, et les rayons gamma générés par les réactions nucléaires créent une sorte de bruit qui obscurcit la détection des neutrons qui sont passés et de ceux qui sont absorbés par la cible.

Les chercheurs ont assemblé une version de leur appareil en utilisant des composants de vente par correspondance et « une source de neutrons que nous avons au MIT depuis 1997 et qui avait collecté de la poussière sur une étagère ».

Ils n’ont pas eu autant de chance avec le timing. Au moment où ils étaient prêts à commencer leurs expériences, la pandémie a fermé les laboratoires du MIT. Klein a dû observer à distance pendant que les autres chercheurs, dirigés par Robert J. Goldston, effectuaient les premiers tests dans le laboratoire de physique des plasmas de Princeton. Le tungstène a été utilisé comme matériau cible en raison de sa forte résonance. « Nous avions une configuration sous-optimale, mais j’ai vu des signaux très faibles et j’ai dit: » Il y a de l’espoir «  », a déclaré Danagoulian.

Après être retourné sur le site de test sécurisé du MIT et plusieurs mois d’itérations pour réduire le bruit de fond neutronique, « nous avons eu une preuve de concept », explique Naqvi. « Nous étions en fait capables d’identifier des éléments comme l’indium, l’argent et l’uranium et n’avions pas besoin de gros équipements. »

« Notre configuration est passée de quelque chose qui n’était pas très sensible aux signaux forts à quelque chose qui était sensible aux signaux très faibles », explique Danagoulian. Il pense que la pandémie a peut-être aidé de manière étrange, l’équipe faisant ses devoirs et se préparant pendant des mois pendant que les démangeaisons commençaient à expérimenter, puis travaillant très dur pour obtenir de rares opportunités de laboratoire. « Cela a contribué de manière contradictoire à des progrès rapides », dit-il.

La méthode de l’équipe ne collecte pas encore de données avec la haute résolution des laboratoires nationaux, qui ont la précision de voir des signaux encore plus petits et plus faibles provenant des énergies neutroniques. Mais dans plusieurs expériences, leur appareil a réussi à mesurer l’absorption et la transmission des neutrons à travers quatre cibles différentes et a ajusté les empreintes isotopiques pour déduire la composition du matériau cible.

« Il s’agit d’une technologie puissante qui a été historiquement alourdie et restreinte par des coûts énormes et l’inaccessibilité », explique Danagoulian. « Et maintenant, nous avons supprimé cette barrière de coût et de taille. » Il estime un coût inférieur à 100 000 $ pour les NRTA portables contre des centaines de millions pour l’équivalent des laboratoires nationaux.

Glen Warren, directeur de l’équipe de sauvegarde et de contrôle des armements du Pacific Northwest National Laboratory, trouve le travail de l’équipe « assez innovant ». Sur la base de ces recherches, il travaille avec Danagoulian sur un projet financé par la National Nuclear Security Administration / Department of Energy pour enquêter sur l’utilisation de la NRTA dans le contrôle des armements. Warren dit que l’appareil compact du MIT « pourrait permettre des mesures sur le terrain… pour confirmer qu’un objet présenté comme une ogive contient des matières nucléaires, ce qui augmente notre confiance que l’objet est une ogive ».

L’équipe de Danagoulian prépare actuellement un article qui résumera des expériences montrant que leur technologie peut également détecter la quantité d’un élément dans un matériau cible. Cela pourrait s’avérer crucial dans les programmes de sécurité nucléaire, où la détermination de quantités précises d’uranium et de plutonium permet de faire la distinction entre les choses réelles et fausses. Et ils continuent d’affiner l’appareil pour améliorer la résolution des mesures.

De véritables progrès dans la vérification des armes nucléaires et dans d’autres domaines de la sûreté nucléaire nécessitent non seulement des percées technologiques, mais aussi une volonté d’adopter ces nouvelles approches. À cette fin, Danagoulian travaille avec des partenaires dans les laboratoires nationaux, des scientifiques et des décideurs politiques. « Nous communiquons nos résultats à la communauté scientifique, technique et politique », précise Danagoulian. « Il peut y avoir des inconvénients et des opportunités. Nous identifierons les deux, corrigerons les inconvénients et saisirons les opportunités. »


Dispositif de détection plus petit, efficace pour l’examen des traités nucléaires, les fouilles archéologiques


Plus d’information:
Ethan A. Klein et al., Analyse de la transmission par résonance neutronique à l’aide d’un générateur compact de neutrons au deutérium-tritium, Vérification physique appliquée (2021). DOI : 10.1103 / PhysRevApplied.15.054026

Fourni par le Massachusetts Institute of Technology

Cette histoire a été publiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui contient des nouvelles sur la recherche, l’innovation et l’enseignement du MIT.

Citation: Wearable Technology Provides Boost for Nuclear Security, Arms Control (2021, 11 juin), consulté le 11 juin 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-06-portable-technology-boost-nuclear-arms.html

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