Nucleaire noodteams, veiligheidsspecialisten en anderen kunnen op een dag profiteren van een uitgebreide kernsplijtingsketentheorie en detectoren die zijn ontwikkeld door een team van natuurkundigen van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).

De wetenschappers van Livermore hebben hun theorie voor het begrijpen van kernsplijtingsketens versterkt - een cascade van atoomkernen die zich splitsen, elk geïnitieerd door een neutron - in de loop van de tijd als een methode om nucleair materiaal te analyseren.

Twee speciale nucleaire materialen die van bijzonder belang zijn voor wapentoepassingen - hoogverrijkt uranium (HEU) en plutonium-239 - zijn in staat om door neutronen geïnduceerde kettingreacties te ondersteunen en op hun beurt karakteristieke uitbarstingen van neutronen en gammastralen uit te zenden.

Door hun nieuwe theorie en speciale detectoren te combineren, de onderzoekers hebben krachtige nieuwe tools ontwikkeld waarmee ze kunnen detecteren en beoordelen of onbekende objecten mogelijk nucleair materiaal bevatten.

Hun werk maakt de real-time analyse van nucleaire materialen en apparaten mogelijk - plus de beoordeling van hun configuraties - door neutronen- en gammastraling-telmethoden.

Deze tools zijn nuttig in een breed scala aan toepassingen, inclusief wapenbeheersing en grensbeveiliging.

Een groot deel van de theorie van het team werd aangeboden in een 2015 Nucleaire wetenschappen en techniek tijdschriftartikel, waarin ze beschreven hoe splijtingsketens zich in de loop van de tijd gedragen in splijtstoffen. Ze beschreven ook het burst-timingpatroon van neutronen en gammastralen die worden uitgezonden door splijtingsketens in HEU en plutonium.

bij splijting, neutronen en gammastralen worden uitgezonden in bursts in plaats van afzonderlijk en splijtingsketens ontstaan ​​wanneer de uitgezonden neutronen extra splijtingsgebeurtenissen veroorzaken in het splijtbare materiaal, het burst-effect versterken.

Nadat het team zijn theorie had gepubliceerd en zijn experimenten had voortgezet, "We zagen enkele effecten van moderators en reflectoren en we wisten dat we onze theorie moesten verfijnen om deze effecten te verklaren, " zei LLNL wiskundig natuurkundige Kenneth Kim.

moderatoren, dat zijn materialen zoals explosieven en zwaar water, de beweging van de neutronen vertragen, terwijl reflectoren, metalen zoals lood en beryllium, laat de neutronen terugkaatsen naar hun oorspronkelijke locatie.

"Met onze theorie we kunnen correlaties tussen neutronen en gammastralen oplossen die optreden op nanoseconden (miljardste van een seconde) tijdschalen, en verstrooiingsprocessen die plaatsvinden op de langere tijdschalen van microseconden, ' zei Kim. 'Met deze informatie, we kunnen dan de geometrische configuratie van de nucleaire materialen en zijn omgeving afleiden."

Les Nakae van LLNL, een experimenteel fysicus en teamleider, zei dat de theorie van zijn team "niet alleen de tijdevolutie beschrijft van de splijtingsketens in splijtstoffen, maar omvat ook de belangrijke effecten van de moderators en reflectoren die hen omringen."

Nakae prees het theorieontwikkelingswerk van Kim en theoretisch natuurkundigen Neal Snyderman en Manoj Prasad, zeggende:"Ik denk niet dat er een andere groep in de wereld is die deze theorie naar voren zou kunnen brengen en zou weten hoe deze toe te passen op het praktische meetprobleem voor het tellen van nanoseconden neutronen en gammastralen. Alleen LLNL heeft deze mogelijkheid."

Naast hun theoretische werk, het team heeft ook een vloeibare scintillatorarray ontwikkeld - die oplicht in de aanwezigheid van ioniserende straling - en in staat is om neutronen en gammastralen te tellen met een miljardste van een seconde timing. Met deze array konden ze hun theorie testen, compleet met meerdere tijdschalen, omdat neutronen zich met verschillende snelheden door verschillende materialen kunnen voortplanten.

Een instrument van de vierde generatie, de nieuwste vloeibare scintillator-array (LSA) van het team is ongeveer drie voet breed en drieënhalve voet lang, maakt gebruik van minerale olie en is vorig jaar gebouwd. Het zal naar verwachting worden gebruikt om in juli metingen te doen aan wapens uit de Amerikaanse nucleaire voorraad bij Pantex.

"Onze nieuwere generaties van de LSA worden momenteel uit het laboratorium gehaald en gebruikt in echte veldomstandigheden. We willen bepalen wat de beste materialen en verpakkingen zijn om in het veld te gebruiken, " merkte Nakae op, toevoegend dat ze kristallen en / of plastic stralingsdetectietechnologieën kunnen gebruiken die zijn ontwikkeld door andere LLNL-wetenschappers.

Om hun instrument beschikbaar te stellen voor veldwerk, het team probeert het robuust te maken, en in staat om onder verschillende weersomstandigheden te werken. De onderzoekers werken er ook aan om het te laten werken door niet-experts na maandenlang stilzitten, en om geautomatiseerde gegevensverwerking te hebben.

"Wat we doen, is dat we onze algoritmen en onze technieken aanpassen om ze robuuster te maken, zodat we onze systemen het veld in kunnen nemen, " legde Nakae uit. "Onze hoop is dat onze veldinstrumenten op een dag dezelfde mogelijkheden zullen hebben als onze laboratoriuminstrumenten al hebben aangetoond."

De kernsplijtingstheorie en het LSA-instrument kunnen worden gebruikt bij veiligheidscontroles en verdragsverificatie. Het kan bepalen of splijtstof aanwezig is in een kernkop en de massa van de splijtstof.

"De technologie kan ons helpen bepalen of een onbekend apparaat een nucleair wapen en een bedreiging is, of geen bedreiging, ' zei Nakae.