Ongeveer vijf jaar geleden, Areg Danagoulian, universitair hoofddocent bij het MIT Department of Nuclear Science and Engineering (NSE), raakte geïntrigeerd door een techniek ontwikkeld door onderzoekers van Los Alamos National Laboratory die een neutronenstraal gebruikt om onbekende materialen te identificeren.

"Ze kunnen in een zwarte doos met uranium kijken en zeggen wat voor soort en hoeveel, " zegt Danagoulian, die het MIT's Laboratory of Applied Nuclear Physics (LANPh) leidt. "Ik dacht aan het probleem van het verifiëren van nucleair materiaal in kernkoppen, en het drong gewoon tot me door, deze geweldige technologie kan worden toegepast op waar we aan werken."

Maar er was een probleem:deze methode, zogenaamde neutronenresonantietransmissieanalyse (NRTA), vereist een enorme duur apparaat, het beperken van het nut ervan voor het soort toepassingen van nucleair materiaal op locatie waar Danagoulian en zijn onderzoekscollega's zich op richten. Om over deze hindernis heen te springen, ze besloten om de NRTA-technologie draagbaar te maken.

Een paper waarin de resultaten van deze inspanning worden beschreven - een eersteklas, mobiel NRTA-apparaat met de mogelijkheid om de elementaire samenstelling van specifieke materialen te detecteren—verschijnt in Fysieke beoordeling toegepast.

"Ons fundamentele doel was om on-site technologie mogelijk te maken die kan worden gebruikt om elk type nucleair materiaal te identificeren, " zegt Ethan A. Klein '15, een derdejaars NSE-promovendus, en eerste auteur van het artikel. "We hebben kunnen aantonen dat zelfs zonder de grote, experimentele opstellingen van de nationale laboratoria, onze goedkope, draagbaar systeem kan een reeks materialen nauwkeurig identificeren."

Co-auteurs van dit artikel zijn onder meer Danagoulian; Farheen Naqvi, een onderzoeker bij LANPh; Jacob E. Bickus, een militaire fellow bij Lincoln Laboratory; Hin Y. Lee Ph.D. '20; en Robert J. Goldston, hoogleraar astrofysische wetenschappen aan Princeton University en voormalig directeur van het Princeton Plasma Physics Laboratory. De National Nuclear Security Administration van het Amerikaanse ministerie van Energie financierde hun onderzoek.

Volg de neutronen

NRTA berust op gevestigde wetenschap:wanneer gebombardeerd met neutronen op specifieke energieniveaus, de kernen van sommige materialen zullen een resonante interactie met deze neutronen ondergaan, en het bereiken van een overgang naar een aangeslagen toestand. "De kern wordt een filter, in wezen absorberende neutronen van een bepaalde energie, en de meeste andere neutronen doorlaten, " legt Danagoulian uit.

Wetenschappers hebben een bibliotheek van unieke neutronenresonantie "vingerafdrukken" ontwikkeld voor de isotopen van vele elementen, inclusief metallische chemische elementen die aan de bovenkant van het periodiek systeem worden gevonden, zoals uranium en plutonium, die voorkomen in kernenergiesystemen en kernwapens, en elementen uit het midden, zoals zilver en wolfraam, die dienen in industriële contexten. Met kennis van deze unieke vingerafdrukken, het is mogelijk om een ​​onbekende te identificeren, nucleair reactief materiaal.

Dit is een techniek die de nationale laboratoria onder de knie hebben:met hoge intensiteit, gepulseerde neutronenstralen en gevoelige detectoren, onderzoekers kunnen de energieniveaus vaststellen van neutronen die door een materiaal worden geabsorbeerd en die erdoorheen gaan, en breng deze metingen vervolgens in kaart met de bibliotheek van isotopische vingerafdrukken.

Onderzoekers uit verschillende vakgebieden zijn begonnen te experimenteren met deze technologie, waaronder archeologen die de samenstelling van oude voorwerpen willen bepalen. Maar de meest ingrijpende impact van de NRTA ligt misschien wel in het nucleaire domein. "Als je wilt weten hoeveel brandstof er nog in je reactoren zit, je zou NRTA kunnen gebruiken om het verrijkingsniveau van brandstofpellets te bemonsteren, " zegt Naqvi, met vermelding van een mogelijke toepassing. "Of in wapenbeheersing om erachter te komen of een te ontmantelen kernkop nep is of echt nucleair materiaal bevat."

Het is over het algemeen niet praktisch om monsters van dergelijke materialen naar de nationale laboratoria te brengen, met strenge waarborgen voor splijtstof en materiaal dat in kernwapens wordt gebruikt. Het team van Danagoulian ging op zoek naar het ontwerpen en bouwen van een apparaat dat de uitdagingen van NRTA ter plaatse aan zou kunnen.

Ontwerp en bouw

Klein, die zijn promotieonderzoek aan dit project wijdt, maanden besteed aan het simuleren van de beoogde technologie:een deuterium-tritiumgenerator die neutronen door een buis naar het doelmateriaal straalt, met een detector er vlak achter. In tegenstelling tot de apparaten in nationale laboratoria, die honderden meters lang kan worden, de hele opstelling van het team besloeg slechts 3 meter, en kan door één persoon worden verplaatst. Er waren uitdagingen, Hoewel.

"Deze neutronen worden geproduceerd met hoge energie en we moesten een manier vinden om ze te vertragen om zoveel mogelijk neutronen te produceren met de energieën van belang, " zegt hij. "Afscherming was ook een groot probleem, " voegt Naqvi toe. De "cocktail van neutronen met verschillende energieën" die van muren en apparatuur danst, en de gammastraling geproduceerd door kernreacties, ze zegt, creëert een soort ruis die de detectie van doorgelaten neutronen en door het doelwit geabsorbeerde neutronen verduistert.

De jury van de onderzoekers heeft een versie van hun apparaat gemanipuleerd met behulp van postordercomponenten en "een neutronenbron die we sinds 1997 bij MIT hebben gehad en die stof op een plank had verzameld, ' zegt Klein.

Ze hadden niet zoveel geluk met timing. Net toen ze klaar waren om met hun experimenten te beginnen, de pandemie legde de laboratoriumfaciliteiten van het MIT stil. Klein moest van een afstand in de gaten houden toen de andere onderzoekers de eerste tests uitvoerden in het Plasma Physics Laboratory van Princeton, onder leiding van Robert J. Goldston. Ze gebruikten wolfraam als doelmateriaal vanwege de sterke resonanties. "We hadden een suboptimale setup, maar ik zag heel zwakke signalen, en ik zei, "Er is hoop, ', zegt Danagoulian.

Na een terugkeer naar de veilige testlocatie van MIT en enkele maanden van iteraties om achtergrondruis van neutronen te verminderen, "we hadden een proof of concept, " zegt Naqvi. "We konden elementen zoals indium, zilver, en uranium, en we hadden geen grote apparaten nodig."

"Onze opzet ging van iets dat niet erg gevoelig was voor sterke signalen, op iets dat gevoelig is voor zeer zwakke signalen, ", zegt Danagoulian. Hij gelooft dat de pandemie misschien op een vreemde manier heeft geholpen, met het team dat hun huiswerk doet en zich maandenlang voorbereidt terwijl het kriebelt om met experimenten te beginnen, en vervolgens heel intensief aan het werk toen ze zeldzame kansen in het lab veiligstelden. "Niet intuïtief, het heeft bijgedragen tot snelle vooruitgang, " hij zegt.

De methode van het team legt nog geen gegevens vast met de hoge resolutie van de nationale laboratoria, die een precisie hebben om nog kleinere en zwakkere signalen van neutronenenergieën te zien. Maar in meerdere experimenten, hun apparaat heeft met succes neutronenabsorptie en -transmissie gemeten door vier verschillende doelen, bijpassende isotopische vingerafdrukken om de samenstelling van het doelmateriaal af te leiden.

"Dit is krachtige technologie, in het verleden gehinderd en geremd door enorme kosten en ontoegankelijkheid, ", zegt Danagoulian. "En nu hebben we die kosten- en groottebarrière weggenomen." Hij schat een prijskaartje van minder dan $ 100, 000 voor draagbare NRTA, tegenover honderden miljoenen voor het equivalent van de nationale laboratoria.

Glen Warren, leider van het Safeguards and Arms Control Team van het Pacific Northwest National Laboratory, vindt het werk van het team "behoorlijk innovatief". Op basis van dit onderzoek is hij werkt samen met Danagoulian aan een door de National Nuclear Security Administration/Department of Energy gefinancierd project dat de toepassing van NRTA in wapenbeheersing onderzoekt. Warren zegt dat het compacte apparaat van MIT "metingen in het veld mogelijk maakt ... om te bevestigen dat een object dat wordt gepresenteerd als een kernkop nucleair materiaal bevat, wat ons vertrouwen verbetert dat het object een kernkop is."

Het team van Danagoulian bereidt momenteel een paper voor waarin experimenten worden samengevat die aantonen dat hun technologie ook de hoeveelheid van een element in een doelmateriaal kan detecteren. Dit zou van vitaal belang kunnen zijn in het nucleaire veiligheidsprogramma, bij het bepalen van precieze hoeveelheden uranium en plutonium, helpen onderscheid te maken tussen het echte werk en een nep. En ze blijven het apparaat verfijnen om de resolutie van metingen te verbeteren.

Echte vooruitgang op het gebied van de verificatie van kernwapens en andere gebieden van nucleaire veiligheid vereist niet alleen technologische doorbraken, maar een bereidheid om deze nieuwe benaderingen te omarmen. Daartoe, Danagoulian werkt samen met partners in de nationale laboratoria, geleerden, en beleidsmakers. "We communiceren onze resultaten met de wetenschappelijke, technisch, en beleidsgemeenschappen, ", zegt Danagoulian. "Er kunnen nadelen zijn en er kunnen kansen zijn. We zullen beide identificeren, de nadelen oplossen, en kansen benutten."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.