Cerca de cinco anos atrás, Areg Danagoulian, professor associado do Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear do MIT (NSE), ficou intrigado com uma técnica desenvolvida por pesquisadores do Laboratório Nacional de Los Alamos, que usa um feixe de nêutrons para identificar materiais desconhecidos.

"Eles poderiam olhar para uma caixa preta contendo urânio e dizer que tipo e quanto, "diz Danagoulian, que dirige o Laboratório de Física Nuclear Aplicada do MIT (LANPh). "Eu estava pensando sobre o problema de verificar o material nuclear em ogivas, e me ocorreu, essa tecnologia incrível pode ser aplicada ao que estamos trabalhando. "

Mas havia um problema:este método, chamada análise de transmissão de ressonância de nêutrons (NRTA), requer um enorme, aparelho caro, limitando sua utilidade para o tipo de aplicação de material nuclear no local em que Danagoulian e seus colegas de pesquisa se concentram. Para pular esse obstáculo, eles decidiram tornar a tecnologia NRTA portátil.

Um artigo que descreve os resultados desse esforço - um primeiro do tipo, aparelho NRTA móvel com a capacidade de detectar a composição elementar de materiais específicos - aparece em Revisão física aplicada.

"Nosso objetivo fundamental era possibilitar a tecnologia no local que pudesse ser usada para identificar qualquer tipo de material nuclear, "diz Ethan A. Klein '15, um estudante de doutorado NSE do terceiro ano, e primeiro autor do artigo. "Conseguimos demonstrar que, mesmo sem o grande, configurações experimentais dos laboratórios nacionais, nosso baixo custo, sistema portátil poderia identificar com precisão uma variedade de materiais. "

Os co-autores deste artigo incluem Danagoulian; Farheen Naqvi, um cientista pesquisador do LANPh; Jacob E. Bickus, um colega militar no Lincoln Laboratory; Hin Y. Lee, Ph.D. '20; e Robert J. Goldston, professor de ciências astrofísicas da Universidade de Princeton e ex-diretor do Laboratório de Física de Plasma de Princeton. A Administração Nacional de Segurança Nuclear do Departamento de Energia dos EUA financiou sua pesquisa.

Siga os nêutrons

O NRTA baseia-se em uma ciência consagrada:quando bombardeado com nêutrons em níveis de energia específicos, os núcleos de alguns materiais sofrerão uma interação ressonante com esses nêutrons, e alcançar uma transição para um estado excitado. “O núcleo se torna um filtro, essencialmente absorvendo nêutrons de uma determinada energia, e deixando a maioria dos outros nêutrons passar, "explica Danagoulian.

Os cientistas desenvolveram uma biblioteca de "impressões digitais" de ressonância de nêutrons exclusivas para os isótopos de muitos elementos, incluindo elementos químicos metálicos encontrados na extremidade superior da tabela periódica, como urânio e plutônio, que figuram em sistemas de energia nuclear e armas nucleares, e elementos do meio, como prata e tungstênio, que servem em contextos industriais. Com o conhecimento dessas impressões digitais exclusivas, é possível identificar um desconhecido, material reativo nuclear.

Esta é uma técnica que os laboratórios nacionais dominam:com alta intensidade, feixes de nêutrons pulsados ​​e detectores sensíveis, os pesquisadores podem estabelecer os níveis de energia dos nêutrons absorvidos por um material e aqueles que passam por ele, e então mapeie essas medições contra a biblioteca de impressões digitais isotópicas.

Pesquisadores de vários campos começaram a experimentar esta tecnologia, incluindo arqueólogos que procuram determinar a composição de objetos antigos. Mas o impacto mais profundo do NRTA pode estar no domínio nuclear. "Se você quiser saber quanto combustível resta em seus reatores, você poderia usar NRTA para amostrar o nível de enriquecimento de pelotas de combustível, "diz Naqvi, mencionando uma aplicação potencial. "Ou no controle de armas para descobrir se uma ogiva destinada ao desmantelamento é falsa ou contém materiais nucleares reais."

Trazer amostras de tais materiais para os laboratórios nacionais geralmente não é prático, com rígidas salvaguardas para combustível nuclear e material usado em armas nucleares. A equipe de Danagoulian decidiu projetar e construir um aparelho que pudesse enfrentar os desafios do NRTA local.

Projetar e construir

Klein, que está dedicando sua pesquisa de doutorado a este projeto, passou meses simulando a tecnologia imaginada:um gerador de deutério-trítio irradiando nêutrons através de um tubo no material alvo, com um detector colocado logo atrás. Em contraste com os aparelhos dos laboratórios nacionais, que pode atingir centenas de metros de comprimento, toda a configuração da equipe ocupou apenas 3 metros, e pode ser movido por uma pessoa. Houve desafios, no entanto.

"Esses nêutrons são produzidos em alta energia e tivemos que encontrar uma maneira de desacelerá-los para produzir o maior número possível de nêutrons nas energias de interesse, "ele diz." Blindagem também foi um grande problema, "acrescenta Naqvi. O" coquetel de nêutrons em diferentes energias "dançando nas paredes e equipamentos, e os raios gama produzidos por reações nucleares, ela diz, cria um tipo de ruído que obscurece a detecção de nêutrons transmitidos e absorvidos pelo alvo.

Os pesquisadores montaram uma versão de seu aparelho usando componentes de mala direta e "uma fonte de nêutrons que temos no MIT desde 1997 que coleciona poeira em uma prateleira, "diz Klein.

Eles não tiveram tanta sorte com o tempo. Assim que eles estavam prontos para começar seus experimentos, a pandemia fechou instalações laboratoriais no MIT. Klein teve que monitorar de longe quando os outros pesquisadores conduziram os testes iniciais no Laboratório de Física de Plasma de Princeton, sob a direção de Robert J. Goldston. Eles usaram tungstênio como o material alvo por causa de suas fortes ressonâncias. "Tínhamos uma configuração abaixo do ideal, mas eu vi sinais muito fracos, e eu disse, "Há esperança, '"diz Danagoulian.

Após um retorno ao local de teste seguro do MIT e vários meses de iterações para reduzir o ruído de nêutrons de fundo, "tivemos uma prova de conceito, "diz Naqvi." Poderíamos realmente identificar elementos como o índio, prata, e urânio, e não precisávamos de grandes dispositivos. "

"Nossa configuração partiu de algo que não era muito sensível a sinais fortes, a algo sensível a sinais muito fracos, "diz Danagoulian. Ele acredita que a pandemia pode ter ajudado de uma forma estranha, com a equipe fazendo sua lição de casa e se preparando por meses enquanto se coça para começar os experimentos, e depois trabalhar muito intensamente quando garantiram raras janelas de oportunidade no laboratório. "Contra-intuitivamente, contribuiu para um progresso rápido, " ele diz.

O método da equipe ainda não captura dados na alta resolução dos laboratórios nacionais, que têm a precisão de ver sinais ainda menores e mais fracos de energias de nêutrons. Mas em vários experimentos, seu aparelho mediu com sucesso a absorção e transmissão de nêutrons através de quatro alvos diferentes, correspondência de impressões digitais isotópicas para inferir a composição do material alvo.

"Esta é uma tecnologia poderosa, sobrecarregado e inibido no passado por um custo enorme e inacessibilidade, "diz Danagoulian." E agora eliminamos essa barreira de custo e tamanho. "Ele estima um preço de menos de US $ 100, 000 para NRTA portátil, contra centenas de milhões para o equivalente dos laboratórios nacionais.

Glen Warren, líder da Equipe de Proteção e Controle de Armas do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico, considera o trabalho da equipe "bastante inovador". Com base nesta pesquisa, ele está colaborando com Danagoulian em um projeto financiado pela Administração de Segurança Nuclear Nacional / Departamento de Energia que explora a aplicação da NRTA no controle de armas. Warren diz que o aparelho compacto do MIT "pode ​​permitir medições em campo ... para confirmar que um objeto apresentado como uma ogiva contém material nuclear, o que aumenta nossa confiança de que o objeto é uma ogiva. "

A equipe de Danagoulian está preparando um artigo resumindo experimentos que mostram que sua tecnologia também pode detectar a quantidade de um elemento em um material alvo. Isso pode ser vital no programa de salvaguardas nucleares, onde determinar as quantidades precisas de urânio e plutônio, ajudam a distinguir entre o verdadeiro e o falso. E continuam a refinar o aparelho para melhorar a resolução das medições.

O progresso real na verificação de armas nucleares e outras áreas da segurança nuclear requer não apenas avanços tecnológicos, mas uma vontade de abraçar essas novas abordagens. Para esse fim, Danagoulian está trabalhando com parceiros nos laboratórios nacionais, estudiosos, e decisores políticos. "Estamos comunicando nossos resultados ao setor científico, técnico, e comunidades de políticas, "diz Danagoulian." Pode haver desvantagens e pode haver oportunidades. Identificaremos ambos, consertar as desvantagens, e buscar as oportunidades. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.