Stel je een zwerm autonome, rollende robots van één meter hoog, gewapend met slimme detectoren om nucleaire veiligheidsmaatregelen te ondersteunen en wapenbeheersingsovereenkomsten te verifiëren. Het prototype van dergelijke robots, wordt ontwikkeld door het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) en Princeton University van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), heeft onlangs het vermogen aangetoond om de bron van nucleaire straling te identificeren en of deze is afgeschermd om detectie te voorkomen.

De detectie van neutronen uit een radioactief element in de PPPL-test dekte een tweejarig project af dat werd gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Buitenlandse Zaken en dat ook bijdraagt ​​aan het DOE's Consortium on Verification Technology. Het op afstand bestuurbare prototype vormt de basis voor de verdere ontwikkeling van een mobiele en volledig autonome zwerm. "De demonstratie gaf een totale bevestiging van het vermogen van de robot om de bron van neutronen te detecteren en leverde prachtige gegevens op, " zei PPPL-natuurkundige Rob Goldston, een professor in de astrofysische wetenschappen aan de Princeton University, en een hoofdonderzoeker in het project.

"Alles uitstekend en veelbelovend"

Co-hoofdonderzoeker Alex Glaser, een Princeton professor in engineering en co-directeur van het Princeton Program in Science and Global Security, was even uitbundig. "Alles wat we zagen ziet er uitstekend en veelbelovend uit, " zei hij. "PPPL heeft dit project uitstekend ondersteund."

De nu gekalibreerde "inspecteur-bot" bestaat uit een cilinder van polyethyleen plastic met drie neutronentellers die 120 graden uit elkaar zijn geplaatst en gemonteerd op een robot met gespecialiseerde wielen waarmee hij in elke richting kan bewegen. De detectoren, ontworpen door Goldston en Moritz Kütt, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in Princeton, biedt zowel een hoge gevoeligheid voor de energie van gedetecteerde neutronen als de richting waaruit neutronen komen. Lage energie kan duiden op afscherming.

Wanneer de robot volledig is ontwikkeld, kan hij deel gaan uitmaken van een zwerm apparaten die inspectietaken uitvoeren in verschillende soorten faciliteiten. Voorgestelde toepassingen kunnen zijn:

• Bescherming van gascentrifugeverrijkingsinstallaties, installaties die uranium verrijken om kerncentrales van brandstof te voorzien. Dergelijke planten voeden een gasvormige vorm van uranium via centrifuges die het opwaarderen voor latere omzetting in poeder en invoeging in splijtstofstaven. Inspector-bots zouden kunnen worden gebruikt om de niet-aangegeven onttrekking van hoogverrijkt uranium op te sporen uit een fractie van de fabriek die voor dit niet-aangegeven gebruik is bestemd;
• De bots zouden de introductie van laagverrijkte, in plaats van natuurlijk, uranium in een licht gewijzigde verrijkingsfabriek om uranium van wapenkwaliteit te produceren;
• De zwerm zou ook kunnen bijdragen aan toekomstige ontwapeningsverdragen door taken zoals het inspecteren van opslagfaciliteiten met kernkoppen ter voorbereiding op ontmanteling. De bots konden detecteren of er daadwerkelijk kernkoppen waren en of het opgegeven aantal wapens klopte. Ze zouden ook kunnen worden gebruikt om vast te stellen dat aangegeven niet-nucleaire militaire faciliteiten geen nucleair materiaal bevatten.

Machine learning-software

De volgende stap in de ontwikkeling omvat het ontwerpen van machine learning-software om de robots te begeleiden, en technologie om de robots tijdens inspecties met elkaar te laten communiceren. Het kunstmatige intelligentie (AI) systeem, onder leiding van hoofdonderzoeker Naomi Leonard, de Edwin S. Wilsey hoogleraar mechanische en ruimtevaarttechniek aan Princeton, maakt gebruik van wat de multi-armed bandit-benadering wordt genoemd - een statistisch systeem dat is vernoemd naar het verkrijgen van de beste resultaten uit een reeks gokautomaten. De belangrijkste uitdaging bij het zoeken naar niet-aangegeven activiteiten is om een ​​verstandige keuze te maken tussen doorgaan met verkennen of stoppen om kleine signalen uit te buiten die kunnen wijzen op wangedrag.

Het idee voor het project dateert uit 2014 toen Goldston en Mark Walker, een afgestudeerde student, hoorde over een ander laboratorium dat een plafond installeerde met neutronendetectoren die allemaal afgingen toen een vrachtwagen met uraniumgas voor verrijking voorbijreed. Dat leidde tot de discussie over een robotdetectiesysteem. "Ik zei, 'hoe zit het met een robot?'" Goldston herinnerde zich, en Marc zei:"Wat dacht je van een robot, dat klinkt gek!"

Maar Goldston werd aangemoedigd om deze optie te onderzoeken in gesprekken met inspecteurs van het International Atomic Energy Agency (IAEA) en fabrieksexploitanten. Glaser diende een voorstel in bij het Amerikaanse ministerie van Buitenlandse Zaken met een onderaanneming voor PPPL om één enkele inspecteur-bot te bouwen en te kalibreren, dat is wat het team heeft bereikt.

Hoge versnelling

Afgelopen zomer kwam het project in een hogere versnelling. Harry Fetsch, een natuurkundestudent aan het Harvey Mudd College in de Science Undergraduate Laboratory Internship (SULI) bij PPPL, duizenden computeruren gedraaid om het detectiesysteem te simuleren. "Deze simulaties hebben het ontwerp van de experimenten die we hebben uitgevoerd, ' zei Glaser.

Goldston is nu van plan een bezoek te brengen aan de Savannah River Site nucleaire brandstoffabriek van de DOE om de mogelijkheid te onderzoeken om de inspecteur-bot te testen in een faciliteit waar de output van verrijkingsfabrieken naartoe gaat. "We willen zien of we de neutronen kunnen meten die uit de autoclaven komen, " zei hij over apparaten die worden gebruikt om uranium te verwarmen om het naar de fabriek te sturen.

Met verdere ontwikkeling, het project zou kunnen aantonen "dat eenvoudige en robuuste autonome, mobiel, directioneel en spectraalgevoelige neutronendetectoren zouden een kosteneffectief middel kunnen zijn voor effectieve en efficiënte verificatie, ' zei Goldston.