Stel je voor dat je de zwakste radionuclidesignalen op honderden kilometers afstand kunt detecteren.

Dat is het vermogen dat is gecreëerd door wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory die een groot deel van de nucleaire wetenschap hebben bijgedragen die ten grondslag ligt aan een internationaal monitoringsysteem dat is ontworpen om nucleaire explosies wereldwijd te detecteren. Het systeem verzamelt en analyseert voortdurend luchtmonsters op signalen die duiden op een nucleaire explosie, misschien in het geheim ondergronds uitgevoerd.

ongelooflijk, het systeem kan slechts een klein aantal atomen van nucleaire activiteit overal op de planeet detecteren. In termen van gevoeligheid, het vermogen - al tientallen jaren aanwezig - is analoog aan het vermogen om coronavirus te detecteren aan de hand van een enkele hoest overal op aarde.

WOSMIP Remote en nucleaire non-proliferatie

Deze zomer, experts van over de hele wereld kwamen online samen om de wetenschap te bespreken in een versie op afstand van een tweejaarlijkse bijeenkomst, de workshop over de handtekeningen van door de mens gemaakte isotopenproductie, of WOSMIP-afstandsbediening. Het evenement werd georganiseerd door een internationaal team onder leiding van PNNL-kernfysicus Ted Bowyer, wiens baanbrekende werk meer dan 20 jaar geleden hielp de deur te openen voor wereldwijde monitoring van sporensignalen die nucleaire explosies verraden.

De WOSMIP-videosessies zijn ontworpen voor wetenschappers die een belangrijke vraag onderzoeken:hoe kunnen ze signalen van belang scheiden, zoals bij een kernexplosie, van goedaardige achtergrondsignalen die afkomstig zijn van vreedzaam gebruik, zoals werkende kernreactoren of productiefaciliteiten voor medische isotopen?

Er zijn maar weinig mogelijkheden die belangrijker zijn om goed te krijgen voor wereldwijde beveiliging. Een vals positief zou de internationale gemeenschap ertoe kunnen brengen te concluderen dat een land een kernproef heeft uitgevoerd terwijl dat niet het geval was. Een vals negatief zou kunnen betekenen dat een illegale nucleaire explosie onopgemerkt bleef.

"Het is als een parkwachter die veel legale kampvuren probeert te onderscheiden van een klein kampvuur dat niet is toegestaan, " zei Bowyer, een expert in het nauwkeurig meten van isotopen van edelgassen zoals xenon. "Er is overal rook en de parkwachter moet bepalen of een van de branden illegaal is. en als het zo is, welke. Ons doel is om de illegale branden te stoppen door de oorzaak van de rook te achterhalen."

STAX:onthulling van radioxenon op de stapel

Tijdens WOSMIP Remote, verschillende presentaties waren gericht op achtergrondsignalen die door de productie van medische isotopen in de atmosfeer worden uitgezonden, zoals technetium-99m. Veel gebruikt om kanker te diagnosticeren, hartziekte, en andere gezondheidsproblemen, medische isotopen worden geproduceerd in een handvol faciliteiten - minder dan een dozijn - die over de hele wereld verspreid zijn. Maar hun nucleaire handtekeningen, hoewel ver onder de wettelijke niveaus, nabootsen die van een kernproef, en hun signalen kunnen net zo sterk zijn. Deze mimiek vormt een barrière voor het lokaliseren van echte signalen van zorg.

Om deze emissies beter te begrijpen, PNNL-chemicus Judah Friese besprak een technologie die hij heeft ontwikkeld, bekend als brontermanalyse van xenon, of STAX. De technologie zit precies in de emissiestapel van een isotopenproducent en registreert elke 15 minuten niveaus van verschillende xenon-isotopen.

Tot nu toe zijn er twee STAX-systemen in gebruik genomen, één bij de Australian Nuclear Science and Technology Organization (ANSTO) en de andere bij het Institute for Radioelements (IRE) in België. Er worden er meer gebouwd voor implementatie op andere locaties, met als doel de systemen bij zoveel mogelijk productiefaciliteiten voor medische isotopen te installeren.

"Met exacte metingen op het punt van productie vanuit deze faciliteiten, we kunnen de niveaus van de achtergrondsignalen berekenen waarmee rekening moet worden gehouden bij detectiestations, " zei Friese. "Met deze informatie, instanties en anderen die toezicht houden op handtekeningen van nucleaire explosies, kunnen metingen gemakkelijker beoordelen, ervoor te zorgen dat emissies van producenten van medische isotopen niet verkeerd worden geïnterpreteerd."

De wortels van ultra-sporen radioxenonmetingen

De STAX-technologie meet hoge niveaus van isotopen en bevindt zich op slechts een paar meter van de productie. Aan de andere kant van het spectrum - het detecteren van ultra-sporenniveaus van radioactief xenon op honderden of zelfs duizenden kilometers afstand - bevindt zich de technologie die Bowyer voor het eerst in de jaren negentig introduceerde. Bowyer besprak de geschiedenis van de technologie in een recent artikel in de Journal of Pure and Applied Geophysics. Het onderzoek naar radioxenon door Bowyer en collega's bij PNNL is gefinancierd door de National Nuclear Security Administration (NNSA) van het Amerikaanse ministerie van Energie en het Amerikaanse ministerie van Buitenlandse Zaken.

In 1997, Bowyer toonde aan dat het gelijktijdig meten van twee verschillende soorten stralingsverval nauwkeurige metingen zou opleveren van sporen van isotopen, of verschillende vormen, van xenon. De meettechniek, bèta-gamma toeval genoemd, is gemaakt van vier radioactieve isotopen van xenon, gezamenlijk bekend als radioxenon. Omdat xenon niet veel reageert in zijn omgeving, het biedt een uitstekende, grotendeels intact doel voor meting.

De bevindingen van Bowyer over bèta-gamma-emissies vormen het hart van de radionuclidedetectietechnologie die wordt gebruikt in het International Monitoring System (IMS), een wereldwijd netwerk dat gebruik maakt van meerdere technologieën die zijn ontworpen om te controleren op nucleaire explosies over de hele wereld.

De monitoring van edelgasradionucliden is gebaseerd op luchtmonsters die zijn verzameld in het IMS op maximaal 40 vaste locaties over de hele wereld om isotopen van radioxenon te detecteren en te meten. Het aandeel van de vier xenon-isotopen in een luchtmonster geeft belangrijke informatie over waar het monster vandaan komt.

De metingen zijn ongelooflijk gevoelig. Zelfs als radioxenon slechts een biljoenste van een biljoenste kubieke meter lucht bevat, wetenschappers kunnen de isotoop detecteren.

Dat ligt zo gevoelig dat het moeilijk is om een ​​zinvolle metafoor te vinden. "Sommige mensen hebben gezegd dat het is alsof je een naald uit een biljoen hooibergen kiest, ' zei Bowyer. 'Of één woord uit 20 biljoen exemplaren van Oorlog en vrede halen. Het is alsof iemand een champagnefles heeft geopend in Tokio en we wisten het op tientallen locaties over de hele wereld in een kwestie van dagen, zo niet uren, door het gas te detecteren dat vrijkwam, " hij voegde toe.

Xenon International

In recente jaren, het PNNL-team heeft de technologie voor radioxenondetectie een stap verder gebracht.

Onderzoeker Jim Hayes en collega's werden erkend met zowel een Federal Laboratory Consortium-prijs als een R&D 100-prijs voor hun werk om de radioxenondetectiecapaciteit van het laboratorium uit te breiden en te commercialiseren. De technologie is in licentie gegeven aan Teledyne Brown Engineering, die samenwerkte met het PNNL-team om een ​​nieuw product te creëren, Xenon Internationaal, die nu aan zijn laatste stappen wordt onderworpen voordat hij beschikbaar wordt voor de internationale monitoringgemeenschap.

Xenon International is een bewakings- en analyse-eenheid ter grootte van een koelkast die kleiner en efficiënter is dan de huidige technologie. Het neemt een veel groter luchtmonster op dan de huidige systemen - ongeveer 4 kubieke meter lucht - waardoor het lagere niveaus van radioxenon kan detecteren. Het doet dat in de helft van de tijd van de huidige werkende systemen, wetenschappers kritische extra uren geven bij het analyseren van een detectie.

Innovatieve oplossingen voor een uitdagend probleem

De vorderingen die worden beschreven in het recente manuscript dat is gepubliceerd in het Journal of Pure and Applied Geophysics, bieden de mogelijkheid om de kenmerken van nucleaire emissies van industriële toepassingen te interpreteren en te onderscheiden van die van nucleaire explosietesten.

Het jaar 2020 markeert de 20e verjaardag van de certificering van de eerste radionuclidestations in het IMS. In die tijd, aanzienlijke vooruitgang is geboekt in het meten en begrijpen van handtekeningen van nucleaire explosies. Dankzij een wereldwijde gemeenschap van wetenschappers, ingenieurs, technici, en beleidsmakers, het is nu moeilijker dan ooit om een ​​nucleaire explosietest uit te voeren en deze onopgemerkt te laten blijven. Tegelijkertijd, de recente toename van de behoefte aan medische isotopen heeft het toezicht op dergelijke explosies uitdagender gemaakt.

"De uitstekende prestaties van onze onderzoekers en ingenieurs hebben ertoe bijgedragen dat de bewakingscapaciteiten voor nucleaire explosies aanzienlijk zijn verbeterd, " zei dr. Brent Park, Plaatsvervangend beheerder van de NNSA voor nucleaire non-proliferatie van defensie. "Ik ben trots op het werk dat in onze nationale laboratoria wordt verricht aan deze belangrijke internationale kwestie."