squadre di emergenza nucleare, gli specialisti della sicurezza e altri potrebbero un giorno beneficiare di una teoria estesa della catena di fissione nucleare e dei rivelatori sviluppati da un team di fisici del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).

Gli scienziati di Livermore hanno rafforzato la loro teoria per comprendere le catene di fissione nucleare:una cascata di scissione dei nuclei atomici, ciascuno avviato da un neutrone, nel tempo come metodo per analizzare i materiali nucleari.

Due materiali nucleari speciali di particolare interesse per le applicazioni delle armi, l'uranio altamente arricchito (HEU) e il plutonio-239, sono in grado di sostenere reazioni a catena di fissione indotte da neutroni e, a loro volta, emettere esplosioni caratteristiche di neutroni e raggi gamma.

Combinando la loro nuova teoria e rivelatori speciali, i ricercatori hanno sviluppato nuovi potenti strumenti che consentono loro di rilevare e valutare se oggetti sconosciuti potrebbero contenere materiali nucleari.

Il loro lavoro consente l'analisi in tempo reale di materiali e dispositivi nucleari, oltre alla valutazione delle loro configurazioni, mediante metodi di conteggio dei neutroni e dei raggi gamma.

Questi strumenti sono utili in una vasta gamma di applicazioni, compreso il controllo degli armamenti e la sicurezza delle frontiere.

Gran parte della teoria della squadra è stata offerta in un 2015 Scienza e ingegneria nucleare articolo di giornale, in cui hanno descritto come le catene di fissione agiscono nel tempo all'interno dei materiali fissili. Hanno anche descritto il modello temporale di scoppio di neutroni e raggi gamma emessi dalle catene di fissione in HEU e plutonio.

Nella fissione, neutroni e raggi gamma sono emessi in raffiche piuttosto che singolarmente e si verificano catene di fissione quando i neutroni emessi causano ulteriori eventi di fissione nel materiale fissile, amplificando l'effetto burst.

Dopo che il team ha pubblicato la sua teoria e ha continuato i suoi esperimenti, "abbiamo visto alcuni degli effetti di moderatori e riflettori e sapevamo che dovevamo perfezionare la nostra teoria per spiegare questi effetti, " ha detto il fisico matematico LLNL Kenneth Kim.

Moderatori, che sono materiali come esplosivi ad alto potenziale e acqua pesante, rallentare il movimento dei neutroni, mentre riflettori, metalli come piombo e berillio, permettere ai neutroni di rimbalzare nella loro posizione originale.

"Con la nostra teoria, possiamo risolvere correlazioni di neutroni e raggi gamma che si verificano su scale temporali di nanosecondi (miliardesimi di secondo), e processi di scattering che avvengono su scale temporali più lunghe di microsecondi, " Kim ha detto. "Con queste informazioni, possiamo quindi dedurre la configurazione geometrica dei materiali nucleari e dei suoi dintorni".

Les Nakae di LLNL, un fisico sperimentale e team leader, ha detto che la teoria del suo team "non solo descrive l'evoluzione temporale delle catene di fissione all'interno dei materiali fissili, ma include anche gli importanti effetti dei moderatori e dei riflettori che li circondano."

Nakae ha lodato il lavoro di sviluppo della teoria di Kim e dei fisici teorici Neal Snyderman e Manoj Prasad, dicendo:"Non credo che ci sia nessun altro gruppo al mondo che potrebbe aver avanzato questa teoria e saprebbe come applicarla al problema della misurazione pratica per il conteggio dei neutroni e dei raggi gamma in nanosecondi. Solo LLNL ha questa capacità".

Al di là del loro lavoro teorico, il team ha anche sviluppato un array di scintillatori liquidi - che si illumina in presenza di radiazioni ionizzanti - ed è in grado di contare neutroni e raggi gamma con tempi di un miliardesimo di secondo. Questo array ha permesso loro di testare la loro teoria completa con più scale temporali, poiché i neutroni possono propagarsi attraverso vari materiali a velocità diverse.

Uno strumento di quarta generazione, il nuovissimo array di scintillatori liquidi (LSA) del team è largo circa un metro e alto tre piedi e mezzo, utilizza olio minerale ed è stato costruito l'anno scorso. Dovrebbe essere utilizzato per condurre misurazioni sulle armi dalla scorta nucleare degli Stati Uniti a luglio alla Pantex.

"Le nostre nuove generazioni di LSA sono in procinto di essere portate fuori dal laboratorio e utilizzate in condizioni reali sul campo. Vogliamo determinare quali sono i migliori materiali e imballi da utilizzare sul campo, "Nota Nakae, aggiungendo che potrebbero utilizzare i cristalli e/o le tecnologie di rilevamento delle radiazioni in plastica sviluppate da altri scienziati LLNL.

Per mettere a disposizione il loro strumento per il lavoro sul campo, il team sta cercando di renderlo robusto, e in grado di lavorare in diverse condizioni atmosferiche. I ricercatori stanno anche lavorando per renderlo utilizzabile da non esperti dopo mesi di inattività, e di disporre di un trattamento automatizzato dei dati.

"Quello che stiamo facendo è adattare i nostri algoritmi e le nostre tecniche per renderli più robusti, così possiamo portare i nostri sistemi in campo, " Ha spiegato Nakae. "La nostra speranza è che un giorno i nostri strumenti sul campo abbiano le stesse capacità che i nostri strumenti di laboratorio hanno già dimostrato".

La teoria della fissione nucleare e lo strumento LSA possono essere utilizzati nei controlli di sicurezza e nel lavoro di verifica dei trattati. Può determinare se il materiale fissile è presente in una testata nucleare e la massa del materiale fissile.

"La tecnologia può aiutarci a determinare se un dispositivo sconosciuto è un'arma nucleare e una minaccia, o non una minaccia, " ha detto Nakae.