Hace unos cinco años, Areg Danagoulian, profesor asociado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear (NSE) del MIT, quedó intrigado por una técnica desarrollada por investigadores del Laboratorio Nacional de Los Alamos que utiliza un haz de neutrones para identificar materiales desconocidos.

"Podrían mirar dentro de una caja negra que contiene uranio y decir qué tipo y cuánto, "dice Danagoulian, quien dirige el Laboratorio de Física Nuclear Aplicada del MIT (LANPh). "Estaba pensando en el problema de verificar el material nuclear en las ojivas, y me acabo de dar cuenta, esta asombrosa tecnología podría aplicarse a lo que estamos trabajando ".

Pero había un problema:este método, llamado análisis de transmisión de resonancia de neutrones (NRTA), requiere una enorme, aparato caro, limitando su utilidad para el tipo de aplicaciones de materiales nucleares in situ en las que se centran Danagoulian y sus colegas de investigación. Para superar este obstáculo, decidieron hacer portátil la tecnología NRTA.

Un artículo que describe los resultados de este esfuerzo, el primero en su tipo, Aparato móvil NRTA con la capacidad de detectar la composición elemental de materiales específicos — aparece en Revisión física aplicada.

"Nuestro objetivo fundamental era habilitar tecnología in situ que pudiera utilizarse para identificar cualquier tipo de material nuclear, "dice Ethan A. Klein '15, un estudiante de doctorado de tercer año de la NSE, y primer autor del artículo. "Pudimos demostrar que, incluso sin los grandes, configuraciones experimentales de los laboratorios nacionales, nuestro bajo costo, El sistema portátil podría identificar con precisión una variedad de materiales ".

Los coautores de este artículo incluyen a Danagoulian; Farheen Naqvi, un científico investigador en LANPh; Jacob E. Bickus, miembro militar del Laboratorio Lincoln; Hin Y. Lee Ph.D. '20; y Robert J. Goldston, profesor de ciencias astrofísicas en la Universidad de Princeton y ex director del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton. La Administración Nacional de Seguridad Nuclear del Departamento de Energía de EE. UU. Financió su investigación.

Sigue los neutrones

NRTA se basa en una ciencia establecida desde hace mucho tiempo:cuando se bombardea con neutrones a niveles de energía específicos, los núcleos de algunos materiales sufrirán una interacción resonante con estos neutrones, y lograr una transición a un estado de excitación. "El núcleo se convierte en un filtro, esencialmente absorbiendo neutrones de una energía particular, y dejando pasar la mayoría de los otros neutrones, "explica Danagoulian.

Los científicos han desarrollado una biblioteca de "huellas dactilares" únicas de resonancia de neutrones para los isótopos de muchos elementos, incluidos los elementos químicos metálicos que se encuentran en el extremo superior de la tabla periódica, como el uranio y el plutonio, que figuran en los sistemas de energía nuclear y las armas nucleares, y elementos del medio, como plata y tungsteno, que sirven en contextos industriales. Con el conocimiento de estas huellas digitales únicas, es posible identificar una desconocida, material reactivo nuclear.

Esta es una técnica que los laboratorios nacionales han dominado:con alta intensidad, haces de neutrones pulsados ​​y detectores sensibles, los investigadores pueden establecer los niveles de energía de los neutrones absorbidos por un material y los que atraviesan, y luego mapear estas medidas contra la biblioteca de huellas dactilares isotópicas.

Investigadores de diversos campos han comenzado a experimentar con esta tecnología, incluidos los arqueólogos que buscan determinar la composición de objetos antiguos. Pero el impacto más profundo de NRTA puede estar en el dominio nuclear. "Si desea saber cuánto combustible queda en sus reactores, podría utilizar NRTA para muestrear el nivel de enriquecimiento de los pellets de combustible, "dice Naqvi, mencionando una aplicación potencial. "O en el control de armas para averiguar si una ojiva colocada para desmantelar es falsa o contiene materiales nucleares reales".

Llevar muestras de dichos materiales a los laboratorios nacionales generalmente no es práctico, con estrictas salvaguardias para el combustible nuclear y el material utilizado en armas nucleares. El equipo de Danagoulian se propuso diseñar y construir un aparato que pudiera estar a la altura de los desafíos de la NRTA in situ.

Diseñar y construir

Klein, quien está dedicando su investigación doctoral a este proyecto, Pasó meses simulando la tecnología prevista:un generador de deuterio-tritio que emite neutrones a través de un tubo en el material objetivo, con un detector colocado justo detrás. A diferencia de los aparatos de los laboratorios nacionales, que puede alcanzar cientos de metros de longitud, la configuración completa del equipo ocupaba solo 3 metros, y puede ser movido por una sola persona. Hubo desafíos aunque.

"Estos neutrones se producen a alta energía y tuvimos que encontrar una manera de ralentizarlos para producir tantos neutrones como sea posible a las energías de interés". ", dice." El blindaje también fue un problema importante, "agrega Naqvi. El" cóctel de neutrones a diferentes energías "bailando en las paredes y el equipo, y los rayos gamma producidos por reacciones nucleares, ella dice, crea una especie de ruido que oscurece la detección de neutrones transmitidos y absorbidos por el objetivo.

Los investigadores manipularon una versión de su aparato utilizando componentes de pedido por correo y "una fuente de neutrones que teníamos en el MIT desde 1997 que había estado acumulando polvo en un estante". "dice Klein.

No tuvieron tanta suerte con la sincronización. Justo cuando estaban listos para comenzar sus experimentos, la pandemia cerró las instalaciones de laboratorio en el MIT. Klein tuvo que monitorear desde lejos cuando los otros investigadores realizaron pruebas iniciales en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton, bajo la dirección de Robert J. Goldston. Utilizaron tungsteno como material objetivo debido a sus fuertes resonancias. "Tuvimos una configuración subóptima, pero vi señales muy débiles, y yo dije, "Hay esperanza, '", dice Danagoulian.

Después de regresar a la ubicación segura de prueba de la bóveda del MIT y varios meses de iteraciones para reducir el ruido de neutrones de fondo, "teníamos una prueba de concepto, ", dice Naqvi." De hecho, podríamos identificar elementos como el indio, plata, y uranio, y no necesitábamos dispositivos grandes ".

"Nuestra configuración pasó de algo que no era muy sensible a señales fuertes, a algo sensible a señales muy débiles, "dice Danagoulian. Él cree que la pandemia podría haber ayudado de una manera extraña, con el equipo haciendo su tarea y preparándose durante meses mientras ansiaban comenzar experimentos, y luego trabajar muy intensamente cuando se aseguraron raras oportunidades en el laboratorio. "Contraintuitivamente, contribuyó a un rápido progreso, " él dice.

El método del equipo aún no captura datos en la alta resolución de los laboratorios nacionales, que tienen una precisión para ver señales aún más pequeñas y débiles de energías de neutrones. Pero en múltiples experimentos, su aparato midió con éxito la absorción y transmisión de neutrones a través de cuatro objetivos diferentes, hacer coincidir huellas dactilares isotópicas para inferir la composición del material objetivo.

"Esta es una tecnología poderosa, agobiados e inhibidos en el pasado por el enorme costo y la inaccesibilidad, ", dice Danagoulian." Y ahora hemos eliminado esa barrera de costo y tamaño ". Él estima un precio de etiqueta de menos de $ 100, 000 para NRTA portátil, frente a cientos de millones para el equivalente de los laboratorios nacionales.

Glen Warren, líder del Equipo de Control de Armas y Salvaguardias en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, encuentra el trabajo del equipo "bastante innovador". Sobre la base de esta investigación, colabora con Danagoulian en un proyecto financiado por la Administración Nacional de Seguridad Nuclear / Departamento de Energía que explora la aplicación de la NRTA en el control de armas. Warren dice que el aparato compacto del MIT "puede permitir mediciones en el campo ... para confirmar que un objeto presentado como una ojiva contiene material nuclear, lo que mejora nuestra confianza en que el objeto es una ojiva ".

El equipo de Danagoulian está preparando un documento que resume los experimentos que muestran que su tecnología también puede detectar la cantidad de un elemento en un material objetivo. Esto podría resultar vital en el programa de salvaguardias nucleares, donde determinar cantidades precisas de uranio y plutonio, ayudan a distinguir entre lo real y lo falso. Y continúan perfeccionando el aparato para mejorar la resolución de las mediciones.

El progreso real en la verificación de armas nucleares y otras áreas de la seguridad nuclear requiere no solo avances tecnológicos, sino la voluntad de adoptar estos nuevos enfoques. Con ese fin, Danagoulian está trabajando con socios en los laboratorios nacionales, eruditos y tomadores de decisiones de políticas. "Estamos comunicando nuestros resultados a los científicos, técnico, y comunidades de políticas, "dice Danagoulian." Puede haber inconvenientes y puede haber oportunidades. Identificaremos ambos, arreglar las desventajas, y aprovechar las oportunidades ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.