Il y a environ cinq ans, Areg Danagoulian, professeur agrégé au Département des sciences et de l'ingénierie nucléaires (NSE) du MIT, est devenu intrigué par une technique développée par des chercheurs du Laboratoire national de Los Alamos qui utilise un faisceau de neutrons pour identifier des matériaux inconnus.

"Ils pourraient regarder dans une boîte noire contenant de l'uranium et dire de quel type et en quelle quantité, " dit Danagoulian, qui dirige le Laboratoire de physique nucléaire appliquée (LANPh) du MIT. "Je pensais au problème de la vérification des matières nucléaires dans les ogives, et ça m'est venu à l'esprit, cette technologie étonnante pourrait être appliquée à ce sur quoi nous travaillons."

Mais il y avait un problème :cette méthode, appelée analyse de transmission par résonance neutronique (NRTA), nécessite un énorme, appareil coûteux, limitant son utilité pour le type d'applications de matières nucléaires sur site sur lesquelles Danagoulian et ses collègues de recherche se concentrent. Pour sauter cet obstacle, ils ont décidé de rendre la technologie NRTA portable.

Un article décrivant les résultats de cet effort—un premier du genre, appareil mobile NRTA avec la capacité de détecter la composition élémentaire de matériaux spécifiques — apparaît dans Examen physique appliqué.

« Notre objectif fondamental était de permettre une technologie sur site qui pourrait être utilisée pour identifier tout type de matière nucléaire, " dit Ethan A. Klein '15, un doctorant en troisième année de NSE, et premier auteur de l'article. "Nous avons pu démontrer que même sans les grands, les dispositifs expérimentaux des laboratoires nationaux, notre low-cost, système portable pourrait identifier avec précision une gamme de matériaux."

Les co-auteurs de cet article incluent Danagoulian; Farheen Naqvi, chercheur au LANPh; Jacob E. Bickus, un militaire au Lincoln Laboratory; Hin Y. Lee Ph.D. '20 ; et Robert J. Goldston, professeur de sciences astrophysiques à l'Université de Princeton et ancien directeur du Princeton Plasma Physics Laboratory. La National Nuclear Security Administration du département américain de l'Énergie a financé leurs recherches.

Suivez les neutrons

La NRTA repose sur une science établie de longue date :lorsqu'elle est bombardée de neutrons à des niveaux d'énergie spécifiques, les noyaux de certains matériaux vont subir une interaction résonante avec ces neutrons, et réaliser une transition vers un état excité. "Le noyau devient un filtre, absorbant essentiellement les neutrons d'une énergie particulière, et laisser passer la plupart des autres neutrons, " explique Danagoulian.

Les scientifiques ont développé une bibliothèque d'« empreintes digitales » uniques de résonance neutronique pour les isotopes de nombreux éléments, y compris les éléments chimiques métalliques trouvés à l'extrémité supérieure du tableau périodique tels que l'uranium et le plutonium, qui figurent dans les systèmes d'énergie nucléaire et les armes nucléaires, et des éléments du milieu, comme l'argent et le tungstène, qui servent dans des contextes industriels. Avec la connaissance de ces empreintes digitales uniques, il est possible d'identifier un inconnu, matière nucléaire réactive.

C'est une technique que les laboratoires nationaux maîtrisent :A haute intensité, faisceaux de neutrons pulsés et détecteurs sensibles, les chercheurs peuvent établir les niveaux d'énergie des neutrons absorbés par un matériau et ceux qui le traversent, puis cartographier ces mesures par rapport à la bibliothèque d'empreintes isotopiques.

Des chercheurs de divers domaines ont commencé à expérimenter cette technologie, y compris les archéologues cherchant à déterminer la composition d'objets anciens. Mais l'impact le plus profond de la NRTA se situe peut-être dans le domaine nucléaire. « Si vous voulez savoir combien de combustible reste dans vos réacteurs, vous pouvez utiliser la NRTA pour échantillonner le niveau d'enrichissement des pastilles de combustible, " dit Naqvi, mentionnant une application potentielle. "Ou dans le contrôle des armements pour savoir si une ogive destinée au démantèlement est un faux ou contient de vraies matières nucléaires."

Apporter des échantillons de ces matériaux aux laboratoires nationaux n'est généralement pas pratique, avec des garanties strictes pour le combustible nucléaire et les matières utilisées dans les armes nucléaires. L'équipe de Danagoulian a entrepris de concevoir et de construire un appareil capable de relever les défis de la NRTA sur site.

Concevoir et construire

Klein, qui consacre sa recherche doctorale à ce projet, passé des mois à simuler la technologie envisagée :un générateur de deutérium-tritium projetant des neutrons à travers un tube sur le matériau cible, avec un détecteur placé juste derrière. Contrairement aux appareils des laboratoires nationaux, qui peut atteindre des centaines de mètres de long, l'ensemble de l'installation de l'équipe n'occupait que 3 mètres, et peut être déplacé par une seule personne. Il y avait des défis, bien que.

"Ces neutrons sont produits à haute énergie et nous avons dû trouver un moyen de les ralentir pour produire autant de neutrons que possible aux énergies d'intérêt, " dit-il. " Le blindage était aussi un problème majeur, " ajoute Naqvi. Le "cocktail de neutrons à différentes énergies" dansant sur les murs et les équipements, et les rayons gamma produits par les réactions nucléaires, elle dit, crée une sorte de bruit qui obscurcit la détection des neutrons transmis et ceux absorbés par la cible.

Les chercheurs ont truqué par jury une version de leur appareil en utilisant des composants de vente par correspondance et « une source de neutrons que nous avons au MIT depuis 1997 qui ramassait la poussière sur une étagère, " dit Klein.

Ils n'ont pas eu autant de chance avec le timing. Alors qu'ils étaient prêts à commencer leurs expériences, la pandémie a fermé les laboratoires du MIT. Klein a dû surveiller de loin lorsque les autres chercheurs ont effectué des tests initiaux au laboratoire de physique des plasmas de Princeton, sous la direction de Robert J. Goldston. Ils ont utilisé le tungstène comme matériau cible en raison de ses fortes résonances. "Nous avions une configuration sous-optimale, mais j'ai vu des signaux très faibles, et j'ai dit, "Il y a de l'espoir, '" dit Danagoulian.

Après un retour à l'emplacement de test sécurisé du MIT et plusieurs mois d'itérations pour réduire le bruit de fond neutronique, "nous avons eu une preuve de concept, " dit Naqvi. " Nous pourrions en fait identifier des éléments comme l'indium, argent, et de l'uranium, et nous n'avions pas besoin de gros appareils."

"Notre configuration est partie de quelque chose qui n'était pas très sensible aux signaux forts, à quelque chose de sensible à des signaux très faibles, " dit Danagoulian. Il pense que la pandémie a pu aider d'une manière étrange, avec l'équipe faisant ses devoirs et se préparant pendant des mois tout en ayant hâte de commencer les expériences, puis ils ont travaillé très intensément lorsqu'ils ont obtenu de rares fenêtres d'opportunité dans le laboratoire. « Contre-intuitivement, il a contribué à des progrès rapides, " il dit.

La méthode de l'équipe ne capture pas encore les données à la haute résolution des laboratoires nationaux, qui ont une précision pour voir des signaux encore plus petits et plus faibles d'énergies neutroniques. Mais dans plusieurs expériences, leur appareil a réussi à mesurer l'absorption et la transmission des neutrons à travers quatre cibles différentes, faire correspondre les empreintes isotopiques pour déduire la composition du matériau cible.

"C'est une technologie puissante, encombré et entravé dans le passé par des coûts énormes et l'inaccessibilité, " dit Danagoulian. " Et maintenant, nous avons supprimé cette barrière de coût et de taille. " Il estime un prix inférieur à 100 $, 000 pour les NRTA portables, contre des centaines de millions pour l'équivalent des laboratoires nationaux.

Glen Warren, chef de l'équipe des garanties et du contrôle des armements au Pacific Northwest National Laboratory, trouve le travail de l'équipe « assez innovant ». Sur la base de cette recherche, il collabore avec Danagoulian sur un projet financé par la National Nuclear Security Administration/Department of Energy explorant l'application de la NRTA dans le contrôle des armements. Warren dit que l'appareil compact du MIT "peut permettre des mesures sur le terrain … pour confirmer qu'un objet présenté comme une ogive contient des matières nucléaires, ce qui améliore notre confiance dans le fait que l'objet est une ogive."

L'équipe de Danagoulian prépare actuellement un article résumant les expériences qui montrent que leur technologie peut également détecter la quantité d'un élément dans un matériau cible. Cela pourrait s'avérer vital dans le programme de garanties nucléaires, où déterminer des quantités précises d'uranium et de plutonium, aider à distinguer entre le vrai et un faux. Et ils continuent d'affiner l'appareil pour améliorer la résolution des mesures.

De véritables progrès dans la vérification des armes nucléaires et dans d'autres domaines de la sécurité nucléaire nécessitent non seulement des percées technologiques, mais une volonté d'adopter ces nouvelles approches. À cette fin, Danagoulian travaille avec des partenaires dans les laboratoires nationaux, savants, et les décideurs politiques. "Nous communiquons nos résultats aux scientifiques, technique, et les communautés politiques, " dit Danagoulian. " Il peut y avoir des inconvénients et il peut y avoir des opportunités. Nous identifierons les deux, corriger les inconvénients, et saisir les opportunités."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.