Imaginez pouvoir détecter le plus faible des signaux radionucléides à des centaines de kilomètres.

C'est la capacité créée par les scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory qui ont contribué en grande partie à la science nucléaire qui sous-tend un système de surveillance international conçu pour détecter les explosions nucléaires dans le monde entier. Le système recueille et analyse en permanence des échantillons d'air à la recherche de signaux qui indiqueraient une explosion nucléaire, peut-être mené secrètement sous terre.

Incroyablement, le système ne peut détecter qu'un petit nombre d'atomes provenant de l'activité nucléaire n'importe où sur la planète. En termes de sensibilité, la capacité - en place depuis des décennies - est analogue à la capacité de détecter le coronavirus à partir d'une seule toux n'importe où sur Terre.

WOSMIP Télécommande et non-prolifération nucléaire

Cet été, des experts du monde entier se sont réunis en ligne pour discuter de la science dans une version à distance d'une réunion biennale, l'Atelier sur les signatures de la production artificielle d'isotopes, ou à distance WOSMIP. L'événement a été organisé par une équipe internationale dirigée par le physicien nucléaire du PNNL Ted Bowyer, dont le travail révolutionnaire il y a plus de 20 ans a permis d'ouvrir la porte à la surveillance mondiale des signaux de trace qui trahissent les explosions nucléaires.

Les sessions vidéo WOSMIP ont été conçues pour les scientifiques explorant une question clé :comment peuvent-ils séparer les signaux d'intérêt, comme d'une explosion nucléaire, des signaux de fond bénins qui émanent d'utilisations pacifiques, comme des réacteurs nucléaires en état de marche ou des installations de production d'isotopes médicaux ?

Peu de capacités sont plus importantes pour assurer la sécurité mondiale. Un faux positif pourrait conduire la communauté internationale à conclure qu'un pays a effectué un essai nucléaire alors qu'il ne l'a pas fait. Un faux négatif pourrait signifier qu'une explosion nucléaire illicite n'a pas été détectée.

"C'est comme un garde forestier essayant de différencier plusieurs feux de camp légaux par rapport à un petit feu de camp qui n'est pas autorisé, " dit Bowyer, un expert dans la mesure précise des isotopes des gaz nobles comme le xénon. "Il y a de la fumée partout et le garde du parc doit déterminer si l'un des incendies est illégal, et si oui, lesquels. Notre objectif est d'arrêter les incendies illégaux en déterminant la cause de la fumée."

STAX :Révéler le radioxénon à la pile

Pendant WOSMIP Remote, plusieurs présentations axées sur les signaux de fond émis dans l'atmosphère par la production d'isotopes médicaux, comme le technétium-99m. Largement utilisé pour diagnostiquer le cancer, cardiopathie, et d'autres problèmes de santé, les isotopes médicaux sont produits dans une poignée d'installations – moins d'une douzaine – qui parsèment le globe. Mais leurs signatures nucléaires, bien en deçà des niveaux réglementaires, imiter ceux d'un essai nucléaire, et leurs signaux peuvent être tout aussi forts. Ce mimétisme constitue un obstacle à l'identification de véritables signaux d'inquiétude.

Pour mieux comprendre ces émissions, Le chimiste du PNNL Judah Friese a discuté d'une technologie qu'il a développée, connue sous le nom d'analyse du terme source du xénon, ou STAX. La technologie se trouve directement dans la pile d'émissions d'un producteur d'isotopes et enregistre les niveaux de plusieurs isotopes de xénon toutes les 15 minutes.

Deux systèmes STAX ont été déployés à ce jour, l'un à l'Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO) et l'autre à l'Institut des radioéléments (IRE) en Belgique. D'autres sont en cours de construction pour être déployés sur d'autres sites, dans le but d'installer les systèmes dans autant d'installations de production d'isotopes médicaux que possible.

"Avec des mesures exactes au point de production de ces installations, on peut calculer les niveaux des signaux de fond qui doivent être pris en compte aux stations de détection, " dit Friese. " Avec cette information, les agences et autres qui surveillent les signatures des explosions nucléaires peuvent évaluer plus facilement les lectures, garantissant que les émissions des producteurs d'isotopes médicaux ne sont pas mal interprétées. »

Les racines de la mesure des ultra-traces du radioxénon

La technologie STAX mesure des niveaux élevés d'isotopes et se trouve à quelques mètres de la production. À l'autre extrémité du spectre, la détection des niveaux ultra-traces de xénon radioactif à des centaines voire des milliers de kilomètres de distance, se trouve la technologie mise au point par Bowyer dans les années 1990. Bowyer a passé en revue l'histoire de la technologie dans un article récent dans le Journal of Pure and Applied Geophysics. La recherche sur le radioxénon menée par Bowyer et ses collègues du PNNL a été financée par la National Nuclear Security Administration (NNSA) du département américain de l'Énergie et le département d'État américain.

En 1997, Bowyer a montré que mesurer deux types différents de décroissance du rayonnement en même temps donnerait des mesures précises de traces d'isotopes, ou sous différentes formes, de xénon. La technique de mesure, appelée coïncidence bêta-gamma, est composé de quatre isotopes radioactifs du xénon, connu collectivement sous le nom de radioxénon. Comme le xénon ne réagit pas avec beaucoup dans son environnement, il offre un excellent, cible en grande partie intacte pour la mesure.

Les découvertes de Bowyer sur les émissions bêta-gamma constituent le cœur de la technologie de détection des radionucléides utilisée dans le Système international de surveillance (IMS), un réseau mondial utilisant plusieurs technologies conçues pour surveiller les explosions nucléaires dans le monde entier.

La surveillance des radionucléides des gaz rares est basée sur des échantillons d'air collectés dans l'IMS dans jusqu'à 40 emplacements fixes dans le monde pour détecter et mesurer les isotopes du radioxénon. La proportion des quatre isotopes du xénon dans un échantillon d'air fournit des informations clés sur l'origine de l'échantillon.

Les mesures sont incroyablement sensibles. Même lorsque le radioxénon ne contient qu'un billionième d'un billionième de mètre cube d'air, les scientifiques peuvent détecter l'isotope.

C'est tellement sensible qu'il est difficile de trouver une métaphore significative. "Certaines personnes ont dit que c'était comme choisir une aiguille dans un billion de meules de foin, " dit Bowyer. " Ou en choisissant un mot parmi 20 000 milliards d'exemplaires de Guerre et Paix. C'est comme si une personne ouvrait une bouteille de champagne à Tokyo et que nous le savions dans des dizaines d'endroits à travers le monde en quelques jours, sinon des heures, en détectant le gaz qui a été libéré, " il ajouta.

Xenon International

Dans les années récentes, l'équipe du PNNL a poussé plus loin la technologie de détection du radioxénon.

Le chercheur Jim Hayes et ses collègues ont reçu à la fois un prix du Federal Laboratory Consortium et un prix R&D 100 pour leurs travaux d'extension et de commercialisation de la capacité de détection du radioxénon du Laboratoire. La technologie est concédée sous licence à Teledyne Brown Engineering, qui s'est associé à l'équipe PNNL pour créer un nouveau produit, Xenon International, qui est maintenant mis à l'épreuve avant d'être mis à la disposition de la communauté internationale de surveillance.

Xenon International est une unité de surveillance et d'analyse de la taille d'un réfrigérateur qui est plus petite et plus efficace que la technologie déployée aujourd'hui. Il prélève un échantillon d'air beaucoup plus important que les systèmes actuels, soit environ 4 mètres cubes d'air, ce qui lui permet de détecter des niveaux inférieurs de radioxénon. Il le fait en deux fois moins de temps que les systèmes de travail actuels, donnant aux scientifiques des heures supplémentaires critiques lors de l'analyse d'une détection.

Des solutions innovantes à un problème difficile

Les avancées décrites dans le récent manuscrit publié dans le Journal of Pure and Applied Geophysics permettent d'interpréter et de différencier les signatures des émissions nucléaires des applications industrielles de celles des essais d'explosifs nucléaires.

L'année 2020 marque le 20e anniversaire de la certification des premières stations de radionucléides de l'IMS. À l'époque, des avancées significatives ont été réalisées dans la mesure et la compréhension des signatures des explosions nucléaires. Grâce à une communauté mondiale de scientifiques, ingénieurs, techniciens, et les décideurs politiques, il est maintenant plus difficile que jamais d'effectuer un essai d'explosif nucléaire et de le faire passer inaperçu. À la fois, l'augmentation récente des besoins en isotopes médicaux a rendu la tâche de surveillance de telles explosions plus difficile.

« Les réalisations exceptionnelles de nos chercheurs et ingénieurs ont contribué à améliorer considérablement les capacités de surveillance des explosions nucléaires, " a déclaré le Dr Brent Park, Administrateur adjoint de la NNSA pour la non-prolifération nucléaire de la défense. « Je suis fier du travail effectué dans nos laboratoires nationaux sur cette importante question internationale.