Imagínese poder detectar la más débil de las señales de radionúclidos a cientos de millas de distancia.

Esa es la capacidad creada por los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico que han contribuido con gran parte de la ciencia nuclear que subyace a un sistema de monitoreo internacional diseñado para detectar explosiones nucleares en todo el mundo. El sistema recopila y analiza constantemente muestras de aire en busca de señales que indiquen una explosión nuclear, tal vez llevado a cabo en secreto bajo tierra.

Increíblemente, el sistema puede detectar solo una pequeña cantidad de átomos de la actividad nuclear en cualquier parte del planeta. En términos de sensibilidad, la capacidad, que ha existido durante décadas, es análoga a la capacidad de detectar el coronavirus a partir de una sola tos en cualquier lugar de la Tierra.

WOSMIP Remoto y no proliferación nuclear

Este verano, expertos de todo el mundo se reunieron en línea para discutir la ciencia en una versión remota de una reunión bienal, el Taller sobre las firmas de la producción de isótopos artificiales, o WOSMIP Remote. El evento fue organizado por un equipo internacional liderado por el físico nuclear de PNNL Ted Bowyer, cuyo trabajo pionero hace más de 20 años ayudó a abrir la puerta al monitoreo mundial de señales de rastreo que delatan explosiones nucleares.

Las sesiones de video de WOSMIP fueron diseñadas para científicos que exploran una pregunta clave:¿Cómo pueden separar las señales de interés? como por una explosión nuclear, de señales de fondo benignas que emanan de usos pacíficos, como reactores nucleares en funcionamiento o instalaciones de producción de isótopos médicos?

Pocas capacidades son más importantes para lograr la seguridad mundial. Un falso positivo podría llevar a la comunidad internacional a concluir que un país realizó una prueba nuclear cuando no lo hizo. Un falso negativo podría significar que una explosión nuclear ilícita no fue detectada.

"Es como un guardaparque tratando de diferenciar muchas fogatas legales de una fogata pequeña que no está permitida, "dijo Bowyer, experto en medición precisa de isótopos de gases nobles como el xenón. "Hay humo por todas partes y el guardaparque tiene que determinar si alguno de los incendios es ilegal, y de ser así, cuáles. Nuestro objetivo es detener los incendios ilegales determinando la causa del humo ".

STAX:Revelando radioxenón en la pila

Durante WOSMIP Remote, Varias presentaciones se centraron en las señales de fondo emitidas a la atmósfera por la producción de isótopos médicos, como tecnecio-99m. Ampliamente utilizado para diagnosticar cáncer, enfermedad del corazón, y otras condiciones de salud, Los isótopos médicos se producen en un puñado de instalaciones (menos de una docena) que salpican el mundo. Pero sus firmas nucleares, aunque muy por debajo de los niveles reglamentarios, imitar a los de una prueba nuclear, y sus señales pueden ser igualmente fuertes. Este mimetismo presenta una barrera para identificar verdaderas señales de preocupación.

Para comprender mejor estas emisiones, El químico de PNNL, Judah Friese, habló sobre una tecnología que ha desarrollado, conocido como análisis de término fuente de xenón, o STAX. La tecnología se encuentra en la pila de emisiones de un productor de isótopos y registra los niveles de varios isótopos de xenón cada 15 minutos.

Hasta ahora se han implementado dos sistemas STAX, uno en la Organización Australiana de Ciencia y Tecnología Nucleares (ANSTO) y el otro en el Instituto de Radioelementos (IRE) en Bélgica. Se están construyendo más para su implementación en otros sitios, con el objetivo de instalar los sistemas en tantas instalaciones de producción de isótopos médicos como sea posible.

"Con medidas exactas en el punto de producción de estas instalaciones, podemos calcular los niveles de las señales de fondo que deben tenerse en cuenta en las estaciones de detección, "dijo Friese." Con esta información, Las agencias y otros que monitorean las firmas de explosiones nucleares pueden evaluar más fácilmente las lecturas, asegurando que las emisiones de los productores de isótopos médicos no se malinterpreten ".

Las raíces de la medición de radioxenón ultratraza

La tecnología STAX mide altos niveles de isótopos y se encuentra a pocos metros de la producción. En el otro extremo del espectro, la detección de niveles ultratraza de xenón radiactivo a cientos o incluso miles de kilómetros de distancia, se encuentra la tecnología pionera de Bowyer en la década de 1990. Bowyer revisó la historia de la tecnología en un artículo reciente en el Journal of Pure and Applied Geophysics. La investigación sobre radioxenón de Bowyer y sus colegas de PNNL ha sido financiada por la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA) del Departamento de Energía de EE. UU. Y el Departamento de Estado de EE. UU.

En 1997, Bowyer demostró que medir dos tipos diferentes de desintegración de la radiación al mismo tiempo produciría mediciones precisas de trazas de isótopos. o diferentes formas, de xenón. La técnica de medición, llamada coincidencia beta-gamma, está compuesto por cuatro isótopos radiactivos de xenón, conocido colectivamente como radioxenón. Dado que el xenón no reacciona con mucho en su entorno, proporciona una excelente, objetivo en gran parte intacto para la medición.

Los hallazgos de Bowyer sobre las emisiones beta-gamma forman el corazón de la tecnología de detección de radionúclidos utilizada en el Sistema Internacional de Monitoreo (IMS), una red global que emplea múltiples tecnologías diseñadas para monitorear explosiones nucleares en todo el mundo.

El monitoreo de radionucleidos de gases nobles se basa en muestras de aire recolectadas en el IMS en hasta 40 lugares fijos alrededor del mundo para detectar y medir isótopos de radioxenón. La proporción de los cuatro isótopos de xenón en una muestra de aire proporciona información clave sobre el origen de la muestra.

Las medidas son increíblemente sensibles. Incluso cuando el radioxenón comprende solo una billonésima parte de una billonésima parte de un metro cúbico de aire, los científicos pueden detectar el isótopo.

Eso es tan sensible que es difícil encontrar una metáfora significativa. "Algunas personas han dicho que es como sacar una aguja de un trillón de pajares, "dijo Bowyer." O escogiendo una palabra de 20 billones de copias de Guerra y Paz. Es como si una persona abriera una botella de champán en Tokio y lo supiéramos en docenas de lugares en todo el mundo en cuestión de días. si no horas, detectando el gas que se liberó, "añadió.

Xenon Internacional

En años recientes, el equipo de PNNL ha llevado la tecnología de detección de radioxenón un paso más allá.

El investigador Jim Hayes y sus colegas fueron reconocidos con un premio del Consorcio Federal de Laboratorios y un premio de Investigación y Desarrollo 100 por su trabajo de extender y comercializar la capacidad de detección de radioxenón del laboratorio. La tecnología está autorizada a Teledyne Brown Engineering, que se asoció con el equipo de PNNL para crear un nuevo producto, Xenon Internacional, que ahora se está poniendo a prueba antes de estar disponible para la comunidad internacional de monitoreo.

Xenon International es una unidad de análisis y monitoreo del tamaño de un refrigerador que es más pequeña y más eficiente que la tecnología implementada en la actualidad. Toma una muestra de aire mucho más grande que los sistemas actuales, aproximadamente 4 metros cúbicos de aire, lo que le permite detectar niveles más bajos de radioxenón. Lo hace en la mitad del tiempo que los sistemas de trabajo actuales, dando a los científicos horas extra críticas al analizar una detección.

Soluciones innovadoras a un problema desafiante

Los avances descritos en el reciente manuscrito publicado en el Journal of Pure and Applied Geophysics brindan la capacidad de interpretar y diferenciar las firmas de las emisiones nucleares de aplicaciones industriales de las de las pruebas de explosivos nucleares.

El año 2020 marca el vigésimo aniversario de la certificación de las primeras estaciones de radionúclidos en el IMS. En ese momento, Se han logrado avances significativos en la medición y comprensión de las firmas de explosiones nucleares. Gracias a una comunidad mundial de científicos, ingenieros técnicos, y formuladores de políticas, Ahora es más difícil que nunca realizar una prueba de explosivos nucleares y que no se detecte. Al mismo tiempo, el reciente aumento de la necesidad de isótopos médicos ha dificultado la tarea de vigilar este tipo de explosiones.

"Los logros sobresalientes de nuestros investigadores e ingenieros han ayudado a mejorar significativamente las capacidades de monitoreo de explosiones nucleares, "dijo el Dr. Brent Park, Administrador adjunto de la NNSA para la No Proliferación Nuclear de Defensa. "Estoy orgulloso del trabajo que se está realizando en nuestros laboratorios nacionales sobre este importante tema internacional".