Equipes de emergência nuclear, especialistas em salvaguardas e outros podem um dia se beneficiar de uma teoria expandida da cadeia de fissão nuclear e detectores desenvolvidos por uma equipe de físicos do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).

Os cientistas de Livermore reforçaram sua teoria para compreender as cadeias de fissão nuclear - uma cascata de divisão de núcleos atômicos, cada um iniciado por um nêutron - ao longo do tempo como um método para analisar materiais nucleares.

Dois materiais nucleares especiais de interesse particular para aplicações em armas - urânio altamente enriquecido (HEU) e plutônio-239 - são capazes de sustentar reações em cadeia de fissão induzida por nêutrons e, por sua vez, emitir explosões características de nêutrons e raios gama.

Ao combinar sua nova teoria e detectores especiais, os pesquisadores desenvolveram novas ferramentas poderosas que os permitem detectar e avaliar se objetos desconhecidos podem conter materiais nucleares.

Seu trabalho permite a análise em tempo real de materiais e dispositivos nucleares - além da avaliação de suas configurações - por métodos de contagem de nêutrons e raios gama.

Essas ferramentas são úteis em uma ampla gama de aplicações, incluindo controle de armas e segurança de fronteira.

Grande parte da teoria da equipe foi oferecida em um 2015 Ciência e Engenharia Nuclear artigo de jornal, em que eles descreveram como as cadeias de fissão agem ao longo do tempo dentro de materiais físseis. Eles também descreveram o padrão de tempo de explosão de nêutrons e raios gama emitidos por cadeias de fissão em HEU e plutônio.

Em fissão, nêutrons e raios gama são emitidos em rajadas ao invés de isoladamente e cadeias de fissão resultam quando os nêutrons emitidos causam eventos de fissão adicionais no material fissionável, amplificando o efeito burst.

Depois que a equipe publicou sua teoria e continuou seus experimentos, "vimos alguns dos efeitos dos moderadores e refletores e sabíamos que precisávamos refinar nossa teoria para explicar esses efeitos, "disse o físico matemático do LLNL Kenneth Kim.

Moderadores, que são materiais como altos explosivos e água pesada, retardar o movimento dos nêutrons, enquanto refletores, metais como chumbo e berílio, permitir que os nêutrons voltem à sua localização original.

"Com a nossa teoria, podemos resolver as correlações de nêutrons e raios gama que ocorrem em escalas de tempo de nanossegundos (bilionésimo de segundo), e processos de espalhamento acontecendo em escalas de tempo de microssegundos mais longas, "Kim disse." Com esta informação, podemos então inferir a configuração geométrica dos materiais nucleares e seus arredores. "

Les Nakae do LLNL, um físico experimental e líder de equipe, disse que a teoria de sua equipe "não apenas descreve a evolução no tempo das cadeias de fissão dentro de materiais físseis, mas também inclui os efeitos importantes dos moderadores e refletores que os cercam. "

Nakae elogiou o trabalho de desenvolvimento de teoria de Kim e dos físicos teóricos Neal Snyderman e Manoj Prasad, dizendo:"Eu não acho que haja qualquer outro grupo no mundo que poderia ter avançado esta teoria e saberia como aplicá-la ao problema de medição prática para contagem de nêutrons e raios gama em nanossegundos. Apenas LLNL tem essa capacidade."

Além de seu trabalho teórico, a equipe também está desenvolvendo uma matriz de cintiladores líquidos - que acende na presença de radiação ionizante - e é capaz de contar nêutrons e raios gama com um bilionésimo de segundo tempo. Esta matriz permitiu que testassem sua teoria completa com múltiplas escalas de tempo, uma vez que os nêutrons podem se propagar através de vários materiais em diferentes velocidades.

Um instrumento de quarta geração, a mais nova matriz de cintilador líquido (LSA) da equipe tem cerca de um metro de largura por um metro e meio de altura, usa óleo mineral e foi construída no ano passado. Espera-se que seja usado para realizar medições de armas do estoque nuclear dos EUA em julho na Pantex.

"Nossas novas gerações de LSA estão sendo retiradas do laboratório e usadas em condições de campo do mundo real. Queremos determinar quais são os melhores materiais e embalagens para uso em campo, "Nakae observou, acrescentando que eles poderiam usar cristais e / ou tecnologias de detecção de radiação de plástico desenvolvidas por outros cientistas do LLNL.

Para disponibilizar seu instrumento para trabalho de campo, a equipe está tentando torná-lo robusto, e capaz de trabalhar em diferentes condições climáticas. Os pesquisadores também estão trabalhando para torná-lo operável por não especialistas após meses de inatividade, e ter processamento de dados automatizado.

"O que estamos fazendo é adaptando nossos algoritmos e nossas técnicas para torná-los mais robustos, para que possamos levar nossos sistemas para o campo, Nakae explicou. "Nossa esperança é que algum dia nossos instrumentos de campo tenham as mesmas capacidades que nossos instrumentos de laboratório já demonstraram."

A teoria da fissão nuclear e o instrumento LSA podem ser usados ​​em salvaguardas e trabalhos de verificação de tratados. Ele pode determinar se o material físsil está presente em uma ogiva nuclear e a massa do material físsil.

"A tecnologia pode nos ajudar a determinar se um dispositivo desconhecido é uma arma nuclear e uma ameaça, ou não uma ameaça, "Nakae disse.