الباحثون الأمريكيون يستخدمون مستشعرات كمية لتحسين دقة قياس الأشعة السينية للمواد النووية

نجح الباحثون الأمريكيون في استخدام مستشعرات كمية فائقة الحساسية لقياس انبعاثات الأشعة السينية لثلاثة عناصر مشعة بدقة، بما في ذلك اليورانيوم والبلوتونيوم. وقد تم تصميم هذه المستشعرات في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) بولاية ماريلاند. وأوضح الباحثون أن هذه التقنية ستعمل على تحسين مراقبة المواد النووية في محطات الطاقة النووية ومرافق الأسلحة بشكل كبير. يتم عادةً تحديد العناصر المشعة من خلال انبعاثاتها الفريدة من أشعة غاما، ولكن بعض العناصر تنتج أشعة سينية في نفس نطاق الطاقة، مما يجعل من الصعب تحديد المواد النووية المحددة وكمية كل منها.

في هذا المشروع، قاس الباحثون الأشعة السينية المنبعثة من هذه العناصر المشعة الثلاثة. وقد تمكنت نتائجهم من تقليل عدم اليقين في طاقة الأشعة السينية بمقدار الثلث إلى الثمن مقارنة بالنتائج السابقة. وقال الفيزيائي في NIST، جوناثان دين (Jonathan Dean): "تدعم قياساتنا الضمانات النووية الدولية من خلال تحقيق محاسبة أكثر دقة للمواد في المنشآت النووية."

كيف تعمل مستشعرات الكم

استخدم الفريق جهازًا يُعرف باسم مستشعر الحافة الانتقالية (TES)، وهو جهاز تم تطويره في الأصل في NIST. يعمل هذا المستشعر بطريقة مشابهة لميزان حرارة دقيق للغاية. كل مستشعر مزود بطبقة من الفيلم فائق التوصيل، يتم تبريده إلى درجة حرارة منخفضة للغاية قريبة من الصفر المطلق. وفي هذه الدرجة من الحرارة، يتصرف الفيلم، وفقًا للباحثين، على الحدود بين الموصل الفائق الذي لا مقاومة له والمعدن العادي الذي له مقاومة قابلة للقياس. عندما يصطدم فوتون (مثل فوتون الأشعة السينية) بالمستشعر، فإنه يولد كمية ضئيلة من الحرارة، مما يتسبب في زيادة سريعة في مقاومة الفيلم.

يمكن لمستشعرات الحافة الانتقالية اكتشاف عدد الفوتونات التي تصطدم بها.

يتناسب حجم التغير مع طاقة الفوتون، مما يتيح للفريق إجراء قياسات عالية الدقة. وباستخدام هذه المستشعرات، قاس الفريق الأشعة السينية لليورانيوم والبلوتونيوم، والتي تتداخل طاقتها مع انبعاثات أشعة غاما. وفي الوقت نفسه، فإن إزالة ما يسمى بضوضاء الخلفية للأشعة السينية سيجعل من السهل تحديد نسبة النظائر المختلفة في المواد النووية. ويمكن أن تشير نسبة النظائر إلى الاستخدام المتوقع للمواد المشعة. على سبيل المثال، يمثل اليورانيوم-235 حوالي 0.7% من جميع اليورانيوم الطبيعي. تحتاج وقود المفاعلات النووية إلى تخصيبه إلى عدة في المئة، بينما يمكن أن يصل اليورانيوم المستخدم في الأسلحة إلى حوالي 90%.

يمكن أن تعزز قياسات النظائر الأكثر دقة محاسبة المواد النووية والضمانات الدولية.

تطبيقات وتحديات التقنية

أوضحت NIST أن هذه التقنية يمكن أن تجعل تشغيل محطات الطاقة النووية أكثر كفاءة. يتضمن إنتاج الطاقة من انشطار اليورانيوم عدة مراحل. قد يكون من الضروري تقييم تكوين الوقود النووي قبل الانتقال إلى الخطوة التالية. ومع ذلك، يمكن أن تؤدي القياسات الأسرع إلى تقليل أوقات الانتظار هذه، مما يحسن الكفاءة ويخفض التكاليف. ومع ذلك، فإن لهذه التقنية قيودًا. تحتاج مستشعرات TES إلى نظام تبريد يمكنه الاحتفاظ بها عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، مما يجعل الإصدارات المحمولة غير عملية. ومع ذلك، يمكن أن تعمل هذه المستشعرات في أي مكان توجد فيه طاقة كافية لتشغيل معدات التبريد الخاصة بها.

يمكن أيضًا نقل العينات إلى مختبر مجهز بالمستشعرات. "يمكن لأجهزتنا أن تتوافق مع كلتا الطريقتين"، كما لخص دين في بيان صحفي.

قام كل من NIST ومختبر لوس ألاموس الوطني بتركيب مستشعرات TES في ثلاثة مختبرات لوزارة الطاقة الأمريكية لمراقبة المواد النووية. كما تم تطبيق هذه التقنية في مؤسسات بحثية رئيسية بما في ذلك CERN ومختبر SLAC الوطني للمسرعات والمختبر الوطني في الأرجنتين ومختبر بروكهافن الوطني. يعمل العلماء حاليًا على تحسين دقة المستشعرات وجعل أنظمة التبريد الخاصة بها أصغر حجمًا وأكثر بساطة وأقل تكلفة. كما بدأت NIST في استكشاف تطبيقات هذه المستشعرات في أبحاث الجسيمات الأساسية وعلوم الفضاء.

إمكانيات مستشعرات الكم في مراقبة المواد النووية

يمثل تطوير هذه التقنية تقدمًا كبيرًا في مجال استخدام مستشعرات الكم في مراقبة المواد النووية. من خلال تقليل عدم اليقين في طاقة الأشعة السينية، يمكن للباحثين تحديد المواد النووية وحسابها بدقة أكبر، وهو أمر بالغ الأهمية للضمانات النووية الدولية. ومع تقدم التقنية، يمكن أن تحسن كفاءة محطات الطاقة النووية، وتخفض التكاليف، وتعزز مراقبة المواد النووية. ومع ذلك، فإن الحاجة إلى نظام تبريد يحد من إمكانية حملها، مما قد يؤثر على تطبيقها في بعض البيئات.