Ультрачувствительные измерения следят за ядерными взрывами
Ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) создали технологии, лежащие в основе международной системы мониторинга, способной обнаруживать мельчайшие следы радионуклидов от ядерных взрывов по всему миру. Эта система постоянно анализирует пробы воздуха, выявляя сигналы, которые могут указывать на секретные подземные испытания.
Невероятная чувствительность системы позволяет зафиксировать считанные атомы, образовавшиеся в результате ядерной активности в любой точке планеты. По аналогии, это сопоставимо с возможностью обнаружить вирус COVID-19 по одному кашлю в любой стране мира.
Отделение угрозы от фонового шума
Этим летом эксперты обсудили эти технологии на удаленном семинаре WOSMIP (Workshop on the Signatures of Man-Made Isotope Production). Ключевой вопрос для ученых — как отличить сигналы от ядерного взрыва от фоновых выбросов мирных объектов, таких как атомные электростанции или предприятия по производству медицинских изотопов. Точность здесь критически важна для международной безопасности: ложное срабатывание или пропуск реальной угрозы могут иметь серьезные последствия.
«Это как рейнджеру, который должен отличить множество разрешенных костров от одного небольшого незаконного, — пояснил ядерный физик PNNL Тед Бауэр, эксперт по точным измерениям изотопов благородных газов. — Повсюду дым, и нужно определить, есть ли среди костров запрещенные. Наша цель — остановить незаконные "костры", определив источник "дыма"».
Технология STAX: мониторинг выбросов у источника
Чтобы лучше понимать фоновые сигналы, на WOSMIP представили технологию STAX (Source Term Analysis of Xenon), разработанную химиком PNNL Дюдой Фризом. Эта система устанавливается непосредственно в выхлопной трубе производителя медицинских изотопов (например, технеция-99m) и каждые 15 минут фиксирует уровни изотопов ксенона.
Две системы STAX уже развернуты: в Австралийской организации ядерной науки и технологий (ANSTO) и в Институте радиоэлементов (IRE) в Бельгии. Создаются новые системы для установки на других объектах.
«Точные измерения прямо на точке выброса позволяют рассчитать уровень фоновых сигналов, которые следует учитывать на станциях обнаружения, — сказал Фриз. — Это помогает агентствам, отслеживающим признаки ядерных взрывов, точнее оценивать показания и не интерпретировать выбросы от производителей медицинских изотопов как угрозу».
Истоки сверхчувствительного обнаружения радиоактивного ксенона
В то время как STAX измеряет высокие концентрации изотопов у источника, другая технология, впервые разработанная Тедом Бауэром в 1990-х годах, способна обнаруживать сверхследовые уровни радиоактивного ксенона за сотни или тысячи километров. В 1997 году Бауэр показал, что одновременное измерение двух типов радиоактивного распада (бета-гамма совпадение) позволяет точно измерить следовые количества изотопов ксенона. Поскольку ксенон почти не вступает в реакции в окружающей среде, он является отличной мишенью для измерений.
Эти принципы легли в основу технологии обнаружения радионуклидов в Международной системе мониторинга (МСМ) — глобальной сети, которая собирает пробы воздуха на 40 стационарных станциях по всему миру. Чувствительность измерений феноменальна: ученые могут обнаружить изотоп, даже если радиоактивный ксенон составляет лишь одну триллионную от триллионной доли кубического метра воздуха.
«Это как найти иголку в триллионе стогов сена или одно слово в 20 триллионах копий "Войны и мира", — приводит аналогии Бауэр. — Как если бы человек открыл бутылку шампанского в Токио, а мы узнали об этом в десятках точек по всему миру через несколько дней, если не часов, обнаружив высвободившийся газ».
Xenon International: новый шаг в обнаружении
В последние годы команда PNNL вывела технологию обнаружения радиоактивного ксенона на новый уровень. Исследователь Джим Хейс и его коллеги были отмечены наградами за работу по коммерциализации этой технологии. Она лицензирована компании Teledyne Brown Engineering, которая совместно с PNNL создала новый продукт — Xenon International.
Xenon International — это мониторинговая и аналитическая установка размером с холодильник, которая меньше и эффективнее нынешних систем. Она анализирует около 4 кубических метров воздуха (больше, чем текущие системы), что позволяет обнаруживать более низкие уровни радиоактивного ксенона. При этом она делает это в два раза быстрее, давая ученым критически важные дополнительные часы для анализа.
Достижения, описанные в недавней публикации в Journal of Pure and Applied Geophysics, позволяют интерпретировать и дифференцировать сигнатуры ядерных выбросов от промышленных объектов и от испытаний ядерных взрывов. Глобальному сообществу ученых, инженеров и политиков удалось значительно усложнить задачу проведения незамеченного ядерного испытания, хотя растущая потребность в медицинских изотопах делает мониторинг все более сложной задачей.
«Выдающиеся достижения наших исследователей и инженеров помогли значительно улучшить возможности мониторинга ядерных взрывов, — заявил д-р Брент Парк, заместитель администратора NNSA по оборонному ядерному нераспространению. — Я горжусь работой, которая ведется в наших национальных лабораториях по этому важному международному вопросу».