Immagine copertina generata con l’intelligenza artificiale
Un nuovo sistema di sensori quantistici sviluppato negli Stati Uniti permette di misurare con maggiore precisione le emissioni di raggi X provenienti da tre elementi radioattivi: uranio, plutonio e nettunio. La tecnologia è stata sviluppata dai ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e potrebbe migliorare il monitoraggio dei materiali nucleari negli impianti energetici e nelle strutture dedicate alla sicurezza.
Il risultato più significativo riguarda la riduzione dell’incertezza nelle misurazioni: rispetto ai dati precedenti, l’incertezza sulle energie dei raggi X è stata ridotta da un terzo fino a un ottavo. Un livello di precisione che può contribuire a rendere più accurata la contabilizzazione dei materiali nucleari e a rafforzare le misure internazionali di salvaguardia.
Come funzionano i sensori quantistici negli impianti nucleari
Alla base della ricerca ci sono i transition edge sensors (TES), dispositivi sviluppati originariamente proprio al NIST. Il loro funzionamento può essere paragonato a quello di termometri estremamente sensibili, capaci di rilevare variazioni di temperatura piccolissime.
I sensori utilizzano una pellicola superconduttrice raffreddata a una frazione di grado sopra lo zero assoluto. In queste condizioni, il materiale si trova al confine tra lo stato di superconduttore, caratterizzato dall’assenza di resistenza elettrica, e quello di un normale metallo, nel quale invece è presente una resistenza misurabile.
Quando un singolo fotone di raggi X colpisce il sensore, trasferisce una quantità minuscola di calore alla pellicola. Questo provoca un rapido aumento della sua resistenza elettrica. L’entità della variazione corrisponde all’energia del fotone, consentendo così di effettuare misurazioni estremamente precise.
Emissioni di raggi X: risultati delle nuove misurazioni
I ricercatori hanno utilizzato i TES per misurare i raggi X emessi da uranio, plutonio e nettunio, concentrandosi su intervalli energetici che si sovrappongono a quelli delle emissioni di raggi gamma.
Il problema nasce proprio da questa sovrapposizione: alcuni elementi producono raggi X nella stessa fascia energetica dei raggi gamma, rendendo più difficile stabilire con precisione quale materiale nucleare sia presente e in quale quantità.
Le nuove misurazioni hanno ridotto l’incertezza sulle energie dei raggi X tra un terzo e un ottavo rispetto ai risultati precedenti. Secondo Jonathan Dean, fisico del NIST, una maggiore precisione può sostenere le attività internazionali di salvaguardia nucleare, permettendo una contabilizzazione più accurata dei materiali presenti negli impianti.
Perché ridurre l’incertezza dei raggi X migliora la sicurezza
Una misurazione più precisa può aiutare soprattutto a distinguere il cosiddetto rumore di fondo dei raggi X, facilitando l’identificazione dei rapporti tra diversi isotopi presenti nei materiali nucleari.
Questi rapporti possono fornire indicazioni sull’utilizzo previsto del materiale radioattivo. Il caso dell’uranio è particolarmente significativo: l’uranio-235 rappresenta circa lo 0,7% dell’uranio presente in natura, mentre il combustibile destinato ai reattori deve essere arricchito a diversi punti percentuali e l’uranio per uso bellico può arrivare a circa il 90%.
Misurazioni isotopiche più accurate possono quindi rafforzare la contabilizzazione dei materiali nucleari e i sistemi internazionali di salvaguardia.
Applicazioni pratiche dei sensori quantistici nella gestione nucleare
La tecnologia potrebbe avere un impatto anche sull’efficienza delle attività negli impianti nucleari. La produzione di elettricità attraverso la fissione dell’uranio prevede infatti diverse fasi e, prima di procedere, può essere necessario verificare la composizione del combustibile.
Misurazioni più rapide potrebbero ridurre i tempi di attesa, aumentando l’efficienza delle operazioni e contribuendo a contenere i costi. Esiste però un limite importante: i TES hanno bisogno di sistemi di refrigerazione in grado di mantenerli a temperature estremamente vicine allo zero assoluto.
Per questo motivo, i sensori non sono attualmente adatti a essere trasformati in dispositivi portatili. Possono tuttavia funzionare in qualsiasi luogo disponga dell’elettricità necessaria al sistema di raffreddamento, oppure essere utilizzati in laboratori ai quali vengono trasportati i campioni.
Prospettive: i sensori quantistici cambiano il monitoraggio nucleare
I primi impieghi concreti sono già iniziati. NIST e Los Alamos National Laboratory hanno installato rilevatori TES in tre laboratori del Dipartimento dell’Energia statunitense per il monitoraggio dei materiali nucleari.
La tecnologia viene inoltre utilizzata in importanti strutture di ricerca, tra cui CERN, SLAC National Accelerator Laboratory, Argonne National Laboratory e Brookhaven National Laboratory.
I ricercatori stanno ora lavorando per migliorare ulteriormente l’accuratezza dei rilevatori e, soprattutto, per rendere i sistemi di refrigerazione più piccoli, semplici ed economici. Il NIST sta inoltre esplorando l’impiego dei sensori nella ricerca sulle particelle fondamentali e nella scienza spaziale.
Fonte: Interesting Engineering
