Imagine ser capaz de detectar o mais fraco dos sinais de radionuclídeos a centenas de quilômetros de distância.

Essa é a capacidade criada por cientistas do Pacific Northwest National Laboratory, que contribuíram com grande parte da ciência nuclear subjacente a um sistema de monitoramento internacional projetado para detectar explosões nucleares em todo o mundo. O sistema coleta e analisa constantemente amostras de ar em busca de sinais que indicariam uma explosão nuclear, talvez conduzido secretamente no subsolo.

Incrivelmente, o sistema pode detectar apenas um pequeno número de átomos da atividade nuclear em qualquer lugar do planeta. Em termos de sensibilidade, a capacidade - instalada há décadas - é análoga à capacidade de detectar o coronavírus a partir de uma única tosse em qualquer lugar da Terra.

WOSMIP Remoto e não proliferação nuclear

Este Verão, especialistas de todo o mundo se reuniram online para discutir a ciência em uma versão remota de uma reunião bienal, o Workshop sobre as assinaturas da produção de isótopos artificiais, ou WOSMIP Remote. O evento foi organizado por uma equipe internacional liderada pelo físico nuclear do PNNL Ted Bowyer, cujo trabalho inovador, há mais de 20 anos, ajudou a abrir as portas para o monitoramento mundial de sinais de rastreamento que revelam explosões nucleares.

As sessões de vídeo WOSMIP foram projetadas para cientistas que exploram uma questão-chave:como eles podem separar os sinais de interesse, como em uma explosão nuclear, de sinais de fundo benignos que emanam de usos pacíficos, como reatores nucleares em funcionamento ou instalações de produção de isótopos médicos?

Poucos recursos são mais importantes para acertar na segurança mundial. Um falso positivo pode levar a comunidade internacional a concluir que um país realizou um teste nuclear quando não o fez. Um falso negativo pode significar que uma explosão nuclear ilícita não foi detectada.

"É como um guarda-florestal tentando diferenciar muitas fogueiras legais de uma pequena fogueira que não é permitida, "disse Bowyer, um especialista em medição precisa de isótopos de gases nobres como o xenônio. "Há fumaça por todo o lugar e o guarda-florestal precisa determinar se algum dos incêndios é ilegal, e se, quais. Nosso objetivo é deter os incêndios ilegais, determinando a causa da fumaça. "

STAX:revelando radioxenon na pilha

Durante WOSMIP Remote, várias apresentações focadas em sinais de fundo emitidos para a atmosfera a partir da produção de isótopos médicos, como o tecnécio-99m. Muito usado para diagnosticar câncer, doença cardíaca, e outras condições de saúde, isótopos médicos são produzidos em um punhado de instalações - menos de uma dúzia - que pontilham o globo. Mas suas assinaturas nucleares, embora bem abaixo dos níveis regulatórios, imitam os de um teste nuclear, e seus sinais podem ser igualmente fortes. Esse mimetismo apresenta uma barreira para localizar sinais verdadeiros de preocupação.

Para entender melhor essas emissões, O químico Judah Friese da PNNL discutiu uma tecnologia que desenvolveu, conhecido como Source Term Analysis of Xenon, ou STAX. A tecnologia fica bem na pilha de emissões de um produtor de isótopos e registra os níveis de vários isótopos de xenônio a cada 15 minutos.

Dois sistemas STAX foram implantados até agora, um na Organização Australiana de Ciência e Tecnologia Nuclear (ANSTO) e o outro no Instituto de Radioelementos (IRE) na Bélgica. Mais estão sendo construídos para implantação em outros sites, com o objetivo de instalar os sistemas no maior número possível de instalações de produção de isótopos médicos.

"Com medidas exatas no ponto de produção dessas instalações, podemos calcular os níveis dos sinais de fundo que devem ser levados em consideração nas estações de detecção, "disse Friese." Com esta informação, agências e outros que monitoram assinaturas de explosões nucleares podem avaliar mais facilmente as leituras, garantindo que as emissões dos produtores de isótopos médicos não sejam mal interpretadas. "

As raízes da medição ultra-traço de radioxênon

A tecnologia STAX mede altos níveis de isótopos e fica a poucos metros da produção. Na outra extremidade do espectro - detectando níveis de ultra-traços de xenônio radioativo a centenas ou mesmo milhares de quilômetros de distância - está a tecnologia pioneira de Bowyer na década de 1990. Bowyer revisou a história da tecnologia em um artigo recente no Journal of Pure and Applied Geophysics. A pesquisa sobre radioxenon por Bowyer e colegas do PNNL foi financiada pela Administração Nacional de Segurança Nuclear do Departamento de Energia dos EUA (NNSA) e pelo Departamento de Estado dos EUA.

Em 1997, Bowyer mostrou que medir dois tipos diferentes de decaimento de radiação ao mesmo tempo renderia medições precisas de traços de isótopos, ou formas diferentes, de xenônio. A técnica de medição, chamada coincidência beta-gama, é feito de quatro isótopos radioativos de xenônio, conhecido coletivamente como radioxenon. Uma vez que o xenônio não reage muito em seu ambiente, fornece um excelente, alvo em grande parte intacto para medição.

As descobertas de Bowyer sobre as emissões de beta-gama formam o coração da tecnologia de detecção de radionuclídeos usada no International Monitoring System (IMS), uma rede global que emprega várias tecnologias projetadas para monitorar explosões nucleares em todo o mundo.

O monitoramento de radionuclídeos de gases nobres é baseado em amostras de ar coletadas no IMS em até 40 locais fixos ao redor do mundo para detectar e medir isótopos de radioxenônio. A proporção dos quatro isótopos de xenônio em uma amostra de ar fornece informações importantes sobre a origem da amostra.

As medições são incrivelmente sensíveis. Mesmo quando o radioxenon compreende apenas um trilionésimo de um trilionésimo de um metro cúbico de ar, os cientistas podem detectar o isótopo.

Isso é tão sensível que é difícil encontrar uma metáfora significativa. "Algumas pessoas disseram que é como tirar uma agulha de um trilhão de palheiros, "disse Bowyer." Ou escolhendo uma palavra de 20 trilhões de cópias de Guerra e paz. É como se uma pessoa abrisse uma garrafa de champanhe em Tóquio e soubéssemos disso em dezenas de locais ao redor do mundo em questão de dias, se não horas, detectando o gás que foi liberado, " ele adicionou.

Xenon International

Nos últimos anos, a equipe PNNL levou a tecnologia de detecção de radioxenon um passo adiante.

O pesquisador Jim Hayes e seus colegas foram reconhecidos com o prêmio Federal Laboratory Consortium e o prêmio R&D 100 por seu trabalho de extensão e comercialização da capacidade de detecção de radioxênon do Laboratório. A tecnologia é licenciada para a Teledyne Brown Engineering, que fez parceria com a equipe PNNL para criar um novo produto, Xenon International, que agora está sendo colocado em seus passos finais antes de se tornar disponível para a comunidade de monitoramento internacional.

A Xenon International é uma unidade de monitoramento e análise do tamanho de um refrigerador, menor e mais eficiente do que a tecnologia implantada atualmente. Ele coleta uma amostra de ar muito maior do que os sistemas atuais - cerca de 4 metros cúbicos de ar - permitindo detectar níveis mais baixos de radioxenônio. Faz isso na metade do tempo dos sistemas de trabalho de hoje, dando aos cientistas horas extras críticas ao analisar uma detecção.

Soluções inovadoras para um problema desafiador

Os avanços descritos no manuscrito recente publicado no Journal of Pure and Applied Geophysics fornecem a capacidade de interpretar e diferenciar as assinaturas de emissões nucleares de aplicações industriais daquelas de testes de explosivos nucleares.

O ano de 2020 marca o 20º aniversário da certificação das primeiras estações de radionuclídeos no IMS. Naquele tempo, avanços significativos foram feitos na medição e compreensão das assinaturas de explosões nucleares. Graças a uma comunidade global de cientistas, engenheiros, técnicos, e formuladores de políticas, agora é mais difícil do que nunca conduzir um teste de explosivo nuclear e não ser detectado. Ao mesmo tempo, o recente aumento na necessidade de isótopos médicos tornou a tarefa de monitorar tais explosões mais desafiadora.

"As notáveis ​​realizações de nossos pesquisadores e engenheiros ajudaram a melhorar significativamente as capacidades de monitoramento de explosão nuclear, "disse o Dr. Brent Park, Adjunto do administrador da NNSA para a Não-Proliferação Nuclear de Defesa. "Estou orgulhoso do trabalho que está sendo realizado em nossos laboratórios nacionais nesta importante questão internacional."