Les équipes d'urgence nucléaire, les spécialistes des garanties et d'autres pourraient un jour bénéficier d'une théorie élargie de la chaîne de fission nucléaire et des détecteurs développés par une équipe de physiciens du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).

Les scientifiques de Livermore ont renforcé leur théorie pour comprendre les chaînes de fission nucléaire - une cascade de division des noyaux atomiques, chacun initié par un neutron - au fil du temps comme méthode d'analyse des matières nucléaires.

Deux matières nucléaires spéciales d'un intérêt particulier pour les applications d'armement - l'uranium hautement enrichi (UHE) et le plutonium 239 - sont capables d'entretenir des réactions de fission en chaîne induites par des neutrons et d'émettre à leur tour des salves caractéristiques de neutrons et de rayons gamma.

En combinant leur nouvelle théorie et des détecteurs spéciaux, les chercheurs ont développé de nouveaux outils puissants qui leur permettent de détecter et d'évaluer si des objets inconnus pourraient contenir des matières nucléaires.

Leurs travaux permettent l'analyse en temps réel des matières et dispositifs nucléaires – ainsi que l'évaluation de leurs configurations – par des méthodes de comptage de neutrons et de rayons gamma.

Ces outils sont utiles dans un large éventail d'applications, y compris le contrôle des armements et la sécurité des frontières.

Une grande partie de la théorie de l'équipe a été offerte dans un 2015 Sciences et génie nucléaires article de revue, dans lequel ils ont décrit comment les chaînes de fission agissent au fil du temps dans les matières fissiles. Ils ont également décrit le schéma de synchronisation des salves de neutrons et de rayons gamma émis par les chaînes de fission dans l'UHE et le plutonium.

En fission, les neutrons et les rayons gamma sont émis par salves plutôt que individuellement et des chaînes de fission se produisent lorsque les neutrons émis provoquent des événements de fission supplémentaires dans la matière fissile, en amplifiant l'effet d'éclatement.

Après que l'équipe ait publié sa théorie et poursuivi ses expériences, "nous avons vu certains des effets des modérateurs et des réflecteurs et nous savions que nous devions affiner notre théorie pour expliquer ces effets, " a déclaré Kenneth Kim, physicien mathématicien du LLNL.

Modérateurs, qui sont des matériaux tels que les explosifs brisants et l'eau lourde, ralentir le mouvement des neutrons, tandis que les réflecteurs, métaux comme le plomb et le béryllium, permettre aux neutrons de rebondir à leur emplacement d'origine.

"Avec notre théorie, nous pouvons résoudre les corrélations de neutrons et de rayons gamma se produisant à des échelles de temps de la nanoseconde (milliardième de seconde), et les processus de diffusion se produisant à des échelles de temps plus longues de la microseconde, " dit Kim. " Avec cette information, nous pouvons alors en déduire la configuration géométrique des matières nucléaires et de leur environnement."

Les Nakae de LLNL, un physicien expérimental et chef d'équipe, a déclaré que la théorie de son équipe "non seulement décrit l'évolution dans le temps des chaînes de fission dans les matières fissiles, mais inclut également les effets importants des modérateurs et des réflecteurs qui les entourent."

Nakae a salué le travail de développement théorique de Kim et des physiciens théoriciens Neal Snyderman et Manoj Prasad, en disant:"Je ne pense pas qu'il y ait un autre groupe dans le monde qui aurait pu faire avancer cette théorie et saurait comment l'appliquer au problème de mesure pratique pour le comptage des neutrons nanosecondes et des rayons gamma. Seul LLNL a cette capacité."

Au-delà de leurs travaux théoriques, l'équipe a également développé un réseau de scintillateurs liquides - qui s'allume en présence de rayonnements ionisants - et est capable de compter les neutrons et les rayons gamma avec un milliardième de seconde. Ce tableau leur a permis de tester leur théorie avec plusieurs échelles de temps, puisque les neutrons peuvent se propager à travers divers matériaux à des vitesses différentes.

Un instrument de quatrième génération, le plus récent réseau de scintillateurs liquides (LSA) de l'équipe mesure environ trois pieds de large sur trois pieds et demi de haut, utilise de l'huile minérale et a été construit l'année dernière. Il devrait être utilisé pour effectuer des mesures sur les armes du stock nucléaire américain en juillet à Pantex.

"Nos nouvelles générations de LSA sont en train de sortir du laboratoire et d'être utilisées dans des conditions réelles de terrain. Nous voulons déterminer quels sont les meilleurs matériaux et emballages à utiliser sur le terrain, " Nakae a noté, ajoutant qu'ils pourraient utiliser des cristaux et/ou des technologies de détection des radiations en plastique développées par d'autres scientifiques du LLNL.

Pour rendre leur instrument disponible pour le travail sur le terrain, l'équipe cherche à le rendre robuste, et capable de travailler dans différentes conditions météorologiques. Les chercheurs s'efforcent également de le rendre utilisable par des non-experts après des mois d'inactivité, et disposer d'un traitement automatisé des données.

"Ce que nous faisons, c'est que nous adaptons nos algorithmes et nos techniques pour les rendre plus robustes, afin que nous puissions amener nos systèmes sur le terrain, " a expliqué Nakae. " Notre espoir est qu'un jour nos instruments de terrain auront les mêmes capacités que nos instruments de laboratoire ont déjà démontré. "

La théorie de la fission nucléaire et l'instrument LSA peuvent être utilisés dans les travaux de vérification des garanties et des traités. Il peut déterminer si des matières fissiles sont présentes dans une ogive nucléaire et la masse des matières fissiles.

"La technologie peut nous aider à déterminer si un dispositif inconnu est une arme nucléaire et une menace, ou pas une menace, " a déclaré Nakae.