Circa cinque anni fa, Areg Danagoulian, professore associato presso il Dipartimento di Scienze e Ingegneria Nucleare (NSE) del MIT, è stato incuriosito da una tecnica sviluppata dai ricercatori del Los Alamos National Laboratory che utilizza un raggio di neutroni per identificare materiali sconosciuti.

"Potrebbero guardare in una scatola nera contenente uranio e dire di che tipo e quanto, "dice Danagoulian, che dirige il Laboratorio di Fisica Nucleare Applicata (LANPh) del MIT. "Stavo pensando al problema di verificare il materiale nucleare nelle testate, e mi è appena venuto in mente, questa straordinaria tecnologia potrebbe essere applicata a ciò su cui stiamo lavorando".

Ma c'era un problema:questo metodo, chiamata analisi della trasmissione della risonanza neutronica (NRTA), richiede un enorme, apparecchi costosi, limitando la sua utilità per il tipo di applicazioni di materiale nucleare in loco su cui si concentrano Danagoulian e i suoi colleghi di ricerca. Per scavalcare questo ostacolo, decisero di rendere portatile la tecnologia NRTA.

Un documento che descrive i risultati di questo sforzo, un primo apparato mobile NRTA con la capacità di rilevare la composizione elementare di materiali specifici, appare in Revisione fisica applicata.

"Il nostro obiettivo fondamentale era quello di abilitare la tecnologia in loco che potesse essere utilizzata per identificare qualsiasi tipo di materiale nucleare, " dice Ethan A. Klein '15, uno studente di dottorato del terzo anno NSE, e primo autore dell'articolo. "Siamo stati in grado di dimostrare che anche senza il grande, allestimenti sperimentali dei laboratori nazionali, il nostro basso costo, sistema portatile potrebbe identificare con precisione una gamma di materiali."

I coautori di questo articolo includono Danagoulian; Farheen Naqvi, un ricercatore presso LANPh; Jacob E. Bickus, un militare al Lincoln Laboratory; Hin Y. Lee Ph.D. '20; e Robert J. Goldston, professore di scienze astrofisiche alla Princeton University ed ex direttore del Princeton Plasma Physics Laboratory. La National Nuclear Security Administration del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha finanziato la loro ricerca.

Segui i neutroni

NRTA si basa su una scienza consolidata:quando viene bombardata con neutroni a specifici livelli di energia, i nuclei di alcuni materiali subiranno un'interazione risonante con questi neutroni, e ottenere una transizione verso uno stato eccitato. "Il nucleo diventa un filtro, essenzialmente assorbendo neutroni di una particolare energia, e lasciando passare la maggior parte degli altri neutroni, " spiega Danagoulian.

Gli scienziati hanno sviluppato una libreria di "impronte digitali" di risonanza neutronica uniche per gli isotopi di molti elementi, compresi gli elementi chimici metallici che si trovano all'estremità superiore della tavola periodica come l'uranio e il plutonio, che figurano nei sistemi di energia nucleare e nelle armi nucleari, ed elementi dal centro, come argento e tungsteno, che servono in contesti industriali. Con la conoscenza di queste impronte digitali uniche, è possibile identificare uno sconosciuto, materiale nucleare reattivo.

Questa è una tecnica che i laboratori nazionali hanno padroneggiato:con l'alta intensità, fasci di neutroni pulsati e rivelatori sensibili, i ricercatori possono stabilire i livelli energetici dei neutroni assorbiti da un materiale e quelli che lo attraversano, e quindi mappare queste misurazioni contro la libreria di impronte digitali isotopiche.

Ricercatori provenienti da diversi campi hanno iniziato a sperimentare questa tecnologia, compresi gli archeologi che cercano di determinare la composizione di oggetti antichi. Ma l'impatto più profondo dell'NRTA potrebbe risiedere nel dominio nucleare. "Se vuoi scoprire quanto carburante è rimasto nei tuoi reattori, potresti usare NRTA per campionare il livello di arricchimento dei pellet di combustibile, "dice Naqvi, citando una potenziale applicazione. "O nel controllo degli armamenti per scoprire se una testata da smantellare è un falso o contiene materiali nucleari reali".

Portare campioni di tali materiali ai laboratori nazionali in genere non è pratico, con rigide garanzie per il combustibile nucleare e il materiale utilizzato nelle armi nucleari. Il team di Danagoulian ha deciso di progettare e costruire un apparato in grado di affrontare le sfide dell'NRTA in loco.

Progettare e costruire

Klein, che sta dedicando la sua ricerca di dottorato a questo progetto, trascorso mesi a simulare la tecnologia immaginata:un generatore di deuterio-trizio che trasmetteva neutroni attraverso un tubo al materiale bersaglio, con un rilevatore posto appena dietro. A differenza degli apparati dei laboratori nazionali, che può raggiungere centinaia di metri di lunghezza, l'intero setup della squadra occupava appena 3 metri, e potrebbe essere spostato da una persona. C'erano sfide, anche se.

"Questi neutroni sono prodotti ad alta energia e abbiamo dovuto trovare un modo per rallentarli per produrre il maggior numero possibile di neutroni alle energie di interesse, " dice. "Anche la schermatura era un grosso problema, " aggiunge Naqvi. Il "cocktail di neutroni a diverse energie" che danza su pareti e apparecchiature, e i raggi gamma prodotti dalle reazioni nucleari, lei dice, crea una sorta di rumore che oscura il rilevamento dei neutroni trasmessi e di quelli assorbiti dal bersaglio.

I ricercatori hanno truccato una versione del loro apparato utilizzando componenti ordinati per corrispondenza e "una sorgente di neutroni che abbiamo al MIT dal 1997 che stava raccogliendo polvere su uno scaffale, "dice Klein.

Non sono stati così fortunati con il tempismo. Proprio mentre erano pronti per iniziare i loro esperimenti, la pandemia ha chiuso le strutture di laboratorio al MIT. Klein ha dovuto monitorare da lontano quando gli altri ricercatori hanno condotto i test iniziali al Plasma Physics Laboratory di Princeton, sotto la direzione di Robert J. Goldston. Hanno usato il tungsteno come materiale target a causa delle sue forti risonanze. "Avevamo una configurazione non ottimale, ma ho visto segnali molto deboli, e io dissi, "C'è speranza, '", dice Danagoulian.

Dopo un ritorno al luogo di prova sicuro del caveau del MIT e diversi mesi di iterazioni per ridurre il rumore neutronico di fondo, "abbiamo avuto la prova del concetto, " dice Naqvi. "Potremmo effettivamente identificare elementi come l'indio, d'argento, e uranio, e non avevamo bisogno di grandi dispositivi."

"La nostra configurazione è passata da qualcosa che non era molto sensibile ai segnali forti, a qualcosa di sensibile a segnali molto deboli, " dice Danagoulian. Crede che la pandemia possa aver aiutato in un modo strano, con il team che fa i compiti e si prepara per mesi mentre non vede l'ora di iniziare gli esperimenti, e poi lavorando molto intensamente quando si assicuravano rare finestre di opportunità in laboratorio. "Controintuitivamente, ha contribuito a un rapido progresso, " lui dice.

Il metodo del team non acquisisce ancora dati all'alta risoluzione dei laboratori nazionali, che hanno una precisione per vedere segnali ancora più piccoli e più deboli di energie di neutroni. Ma in più esperimenti, il loro apparato ha misurato con successo l'assorbimento e la trasmissione di neutroni attraverso quattro diversi bersagli, corrispondenza delle impronte digitali isotopiche per dedurre la composizione del materiale bersaglio.

"Questa è una tecnologia potente, gravato e inibito in passato da enormi costi e inaccessibilità, " dice Danagoulian. "E ora abbiamo eliminato quella barriera di costi e dimensioni." Stima un prezzo inferiore a $ 100, 000 per NRTA portatile, contro centinaia di milioni per l'equivalente dei laboratori nazionali.

Glen Warren, capo della squadra di controllo delle salvaguardie e degli armamenti presso il Pacific Northwest National Laboratory, trova il lavoro del team "abbastanza innovativo". Sulla base di questa ricerca, sta collaborando con Danagoulian su un progetto finanziato dalla National Nuclear Security Administration/Department of Energy che esplora l'applicazione dell'NRTA nel controllo degli armamenti. Warren afferma che l'apparato compatto del MIT "potrebbe consentire misurazioni sul campo ... per confermare che un oggetto presentato come una testata contenga materiale nucleare, che migliora la nostra fiducia che l'oggetto è una testata."

Il team di Danagoulian sta attualmente preparando un documento che riassume gli esperimenti che mostrano che la loro tecnologia può anche rilevare la quantità di un elemento in un materiale target. Questo potrebbe rivelarsi vitale nel programma di salvaguardia nucleare, dove determinare quantità precise di uranio e plutonio, aiutare a distinguere tra la cosa reale e un falso. E continuano a perfezionare l'apparato per migliorare la risoluzione delle misurazioni.

I reali progressi nella verifica delle armi nucleari e in altri settori della sicurezza nucleare richiedono non solo scoperte tecnologiche, ma la volontà di abbracciare questi nuovi approcci. A quello scopo, Danagoulian sta lavorando con i partner nei laboratori nazionali, studiosi, e decisori politici. "Stiamo comunicando i nostri risultati alla scientifica, tecnico, e comunità politiche, " dice Danagoulian. "Ci potrebbero essere aspetti negativi e potrebbero esserci opportunità. Identificheremo entrambi, correggere i lati negativi, e cogliere le opportunità".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.