Immagina di essere in grado di rilevare il più debole dei segnali di radionuclidi da centinaia di miglia di distanza.

Questa è la capacità creata dagli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory che hanno contribuito a gran parte della scienza nucleare alla base di un sistema di monitoraggio internazionale progettato per rilevare esplosioni nucleari in tutto il mondo. Il sistema raccoglie e analizza costantemente campioni d'aria alla ricerca di segnali che indicherebbero un'esplosione nucleare, forse condotta segretamente sottoterra.

Incredibilmente, il sistema può rilevare solo un piccolo numero di atomi dall'attività nucleare in qualsiasi parte del pianeta. In termini di sensibilità, la capacità, in atto da decenni, è analoga alla capacità di rilevare il coronavirus da un singolo colpo di tosse in qualsiasi punto della Terra.

WOSMIP Non proliferazione remota e nucleare

Quest'estate, esperti di tutto il mondo si sono riuniti online per discutere della scienza in una versione remota di un incontro biennale, il seminario sulle firme della produzione di isotopi artificiali, o WOSMIP remoto. L'evento è stato organizzato da un team internazionale guidato dal fisico nucleare del PNNL Ted Bowyer, il cui lavoro pionieristico più di 20 anni fa ha contribuito ad aprire la porta al monitoraggio mondiale dei segnali di traccia che tradiscono esplosioni nucleari.

Le sessioni video WOSMIP sono state progettate per gli scienziati che esplorano una domanda chiave:come possono separare i segnali di interesse, come da un'esplosione nucleare, da segnali di fondo benigni che provengono da usi pacifici, come reattori nucleari funzionanti o impianti di produzione di isotopi medici?

Poche capacità sono più importanti per la sicurezza mondiale. Un falso positivo potrebbe portare la comunità internazionale a concludere che un paese ha condotto un test nucleare quando non lo ha fatto. Un falso negativo potrebbe significare che un'esplosione nucleare illecita non è stata rilevata.

"È come un ranger del parco che cerca di differenziare molti falò legali da un piccolo falò non consentito, " ha detto Bower, un esperto nella misurazione precisa degli isotopi dei gas nobili come lo xeno. "C'è fumo dappertutto e il ranger del parco deve determinare se qualcuno degli incendi è illegale, e se così fosse, quale. Il nostro obiettivo è fermare gli incendi illegali determinando la causa del fumo".

STAX:Rivelando il radioxenon allo stack

Durante WOSMIP Remote, diverse presentazioni incentrate sui segnali di fondo emessi nell'atmosfera dalla produzione di isotopi medici, come il tecnezio-99m. Ampiamente usato per diagnosticare il cancro, cardiopatia, e altre condizioni di salute, gli isotopi medici sono prodotti in una manciata di strutture, meno di una dozzina, che punteggiano il mondo. Ma le loro firme nucleari, mentre ben al di sotto dei livelli normativi, imitare quelli di un test nucleare, e i loro segnali possono essere altrettanto forti. Questo mimetismo rappresenta una barriera per individuare i veri segnali di preoccupazione.

Per comprendere meglio queste emissioni, Il chimico del PNNL Judah Friese ha discusso di una tecnologia che ha sviluppato, noto come analisi dei termini di origine di Xenon, o STAX. La tecnologia si trova proprio nella pila di emissioni di un produttore di isotopi e registra i livelli di diversi isotopi di xeno ogni 15 minuti.

Finora sono stati implementati due sistemi STAX, uno presso l'Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO) e l'altro presso l'Institute for Radioelements (IRE) in Belgio. Altri sono in costruzione per la distribuzione in altri siti, con l'obiettivo di installare i sistemi nel maggior numero possibile di impianti di produzione di isotopi medici.

"Con misurazioni esatte direttamente nel punto di produzione da queste strutture, possiamo calcolare i livelli dei segnali di fondo che dovrebbero essere presi in considerazione nelle stazioni di rilevamento, " disse Friese. "Con queste informazioni, agenzie e altri che monitorano le firme di esplosioni nucleari possono valutare più facilmente le letture, assicurando che le emissioni dei produttori di isotopi medici non vengano fraintese".

Le radici della misurazione del radioxeno ultratraccia

La tecnologia STAX misura alti livelli di isotopi e si trova a pochi passi dalla produzione. All'altra estremità dello spettro, il rilevamento di livelli ultra-traccia di xeno radioattivo a centinaia o addirittura migliaia di chilometri di distanza, c'è la tecnologia introdotta per la prima volta da Bowyer negli anni '90. Bowyer ha rivisto la storia della tecnologia in un recente articolo sul Journal of Pure and Applied Geophysics. La ricerca sul radioxeno di Bowyer e colleghi del PNNL è stata finanziata dalla National Nuclear Security Administration (NNSA) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dal Dipartimento di Stato degli Stati Uniti.

Nel 1997, Bowyer dimostrò che misurare contemporaneamente due diversi tipi di decadimento della radiazione produrrebbe misurazioni precise di tracce di isotopi, o forme diverse, di xeno. La tecnica di misurazione, chiamata coincidenza beta-gamma, è costituito da quattro isotopi radioattivi di xeno, noti collettivamente come radioxenon. Poiché lo xeno non reagisce con molto nel suo ambiente, fornisce un eccellente, bersaglio in gran parte intatto per la misurazione.

Le scoperte di Bowyer sulle emissioni beta-gamma costituiscono il cuore della tecnologia di rilevamento dei radionuclidi utilizzata nell'International Monitoring System (IMS), una rete globale che impiega più tecnologie progettate per monitorare le esplosioni nucleari in tutto il mondo.

Il monitoraggio dei radionuclidi di gas nobili si basa su campioni di aria raccolti nell'IMS in un massimo di 40 postazioni fisse in tutto il mondo per rilevare e misurare gli isotopi del radioxeno. La proporzione dei quattro isotopi di xeno in un campione di aria fornisce informazioni chiave sulla provenienza del campione.

Le misurazioni sono incredibilmente sensibili. Anche quando il radioxenon comprende solo un trilionesimo di un trilionesimo di metro cubo d'aria, gli scienziati possono rilevare l'isotopo.

È così delicato che è difficile trovare una metafora significativa. "Alcune persone hanno detto che è come estrarre un ago da un trilione di pagliai, " ha detto Bowyer. "O scegliendo una parola da 20 trilioni di copie di Guerra e pace. È come se una persona aprisse una bottiglia di champagne a Tokyo e lo sapessimo in dozzine di località in tutto il mondo nel giro di pochi giorni, se non ore, rilevando il gas che è stato rilasciato, " Ha aggiunto.

Xenon Internazionale

Negli ultimi anni, il team PNNL ha fatto un ulteriore passo avanti con la tecnologia di rilevamento del radioxenon.

Il ricercatore Jim Hayes e i suoi colleghi sono stati premiati sia con un premio del Federal Laboratory Consortium che con un premio R&D 100 per il loro lavoro nell'estensione e commercializzazione della capacità di rilevamento del radioxeno del laboratorio. La tecnologia è concessa in licenza a Teledyne Brown Engineering, che ha collaborato con il team PNNL per creare un nuovo prodotto, Xenon Internazionale, che è ora in fase di ultimazione prima di diventare disponibile per la comunità internazionale di monitoraggio.

Xenon International è un'unità di monitoraggio e analisi delle dimensioni di un frigorifero, più piccola ed efficiente rispetto alla tecnologia utilizzata oggi. Prende un campione d'aria molto più grande rispetto ai sistemi attuali, circa 4 metri cubi di aria, consentendogli di rilevare livelli inferiori di radioxeno. Lo fa nella metà del tempo dei sistemi di lavoro odierni, dando agli scienziati ore extra critiche durante l'analisi di un rilevamento.

Soluzioni innovative a un problema impegnativo

I progressi descritti nel recente manoscritto pubblicato sul Journal of Pure and Applied Geophysics forniscono la capacità di interpretare e differenziare le firme delle emissioni nucleari delle applicazioni industriali da quelle dei test sugli esplosivi nucleari.

Il 2020 segna il 20° anniversario della certificazione delle prime stazioni radionuclidi nell'IMS. A quel tempo, sono stati compiuti progressi significativi nella misurazione e nella comprensione delle firme delle esplosioni nucleari. Grazie a una comunità globale di scienziati, ingegneri, tecnici, e decisori politici, ora è più difficile che mai condurre un test di esplosivo nucleare e farlo passare inosservato. Allo stesso tempo, il recente aumento della necessità di isotopi medici ha reso più impegnativo il compito di monitorare tali esplosioni.

"Gli straordinari risultati dei nostri ricercatori e ingegneri hanno contribuito a migliorare significativamente le capacità di monitoraggio delle esplosioni nucleari, " ha detto il dottor Brent Park, Vice amministratore della NNSA per la difesa contro la non proliferazione nucleare. "Sono orgoglioso del lavoro svolto presso i nostri laboratori nazionali su questo importante tema internazionale".