ORNL entwickelt neuartigen Strahlungsdetektor für Echtzeit-Überwachung von Nuklearmaterial

Das Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hat einen kompakten und kostengünstigen Strahlungsdetektor entwickelt, der in den Lüftungskanälen von Anlagen kontinuierlich und in Echtzeit die Ansammlung von Nuklearmaterial überwacht. Das Gerät soll die langsamen manuellen Inspektionsmethoden ersetzen und eine erschwingliche, automatisierte Lösung bieten. Dieses Gerät ist im Wesentlichen ein automatisierter Zylinder, der direkt an den Lüftungskanälen befestigt wird und eine kontinuierliche Echtzeit-Strahlungsüberwachung ermöglicht. Diese Überwachungsmethode wird nuklearen Anlagen dabei helfen, die Sicherheit, den Umweltschutz sowie die nationale Sicherheit zu verbessern.

In Anlagen zur Kernbrennstoffverarbeitung dienen Lüftungskanäle als Entlüftungswege in der Decke, die die Raumluft kontinuierlich umwälzen, filtern und abführen. Obwohl diese Anlagen radioaktives Material in streng abgeschirmten Verarbeitungsbereichen hinter hocheffizienten Partikelfiltern handhaben, können mikroskopisch kleine Staubpartikel wie Uran dennoch in die Luftströmung gelangen. Mit der Zeit lagern sich diese winzigen radioaktiven Partikel an den Innenwänden der Metallrohre ab. Unkontrollierte nukleare Staubansammlungen in diesen Deckenkanälen schaffen eine ungeschirmte Strahlungsquelle, die die Gesundheit der Beschäftigten gefährdet und ein ernsthaftes Risiko für die nationale Sicherheit durch Diebstahl oder Verlagerung von nicht erfasstem Material darstellt.

Funktionsweise des neuen Monitors

Dieser neue Monitor scannt die Lüftungskanäle jede Minute und sorgt so für eine kontinuierliche Überwachung, um Ansammlungen von Nuklearmaterial zu erkennen und höchste Sicherheits- und Schutzstandards zu erfüllen.

Dieses 12-Zoll-Gerät arbeitet je nach Anforderung der Anlage in zwei einfachen Modi. Es kann mit Batterie bis zu einem Monat lang betrieben werden und jede Minute Datenproben erfassen und speichern. Bei Stromversorgung über Ethernet streamt und speichert es jede Sekunde Daten für eine Echtzeit-Verfolgung. Ethernet ersetzt die ältere USB-Verbindung und ermöglicht längere Verbindungen zwischen den Deckenkanälen und einer zentralen Überwachungszentrale. Um das System wirklich nahtlos zu gestalten, kombinierten die Forschenden die Hardware mit fortschrittlicher Software. KI-gestützte Algorithmen wurden auf der Grundlage realer Anlagendaten trainiert, die bei Live-Tests in ORNL erhoben wurden.

Sobald das System integriert ist, analysiert die intelligente Software automatisch die Strahlungssignale und löst in dem Moment einen Alarm aus, in dem sich gefährliche Materialien auf ein unsicheres Niveau ansammeln.

Kosteneffizienz und gesteigerte Sicherheit

Insgesamt sind die Kosten des Systems relativ gering. Herkömmliche Detektorkomponenten kosten mehr als US$10.000 (etwa HK$78.000). Das ORNL-Team entwickelte das Gerät um einen preiswerten Plastik-Szintillationskristall herum, der nur ein bis zwei Dollar kostet. Wenn Strahlung auf den Detektor trifft, sendet dieser kostengünstige Plastikkristall Lichtblitze in Form von Photonen aus. Anschließend wandeln Silizium-Photoverstärker diese Lichtimpulse in elektrische Signale um. Materialien wie Uran erzeugen charakteristische Energiesignaturen. Daher ist das System so programmiert, dass es bestimmte elektrische Impulse zählt und unsichere Strahlungswerte sofort markiert.

Der Projektleiter Brett Witherspoon erläuterte, dass das Gerät eine stromsparende historische Analogverarbeitung mit einem sicheren modernen digitalen Mikrocontroller kombiniert. Der Austausch sperriger Vakuumröhren durch kompakte Silizium-Photoverstärker verbessert die Temperaturbeständigkeit des Detektors und reduziert zugleich seine Gesamtgröße und Kosten.

Die Wahl von Plastikkristallen, die nur ein bis zwei Dollar kosten, anstelle von Alternativen im Wert von 1.000 bis US$10.000 (etwa HK$78.000), ermöglicht es nuklearen Anlagen, Strahlungsüberwachung wirtschaftlicher in großem Umfang einzusetzen. „Dies ist tausendmal günstiger als die derzeitige Technik, und ein speziell für diesen Zweck entwickeltes Gerät bietet nuklearen Anlagen eine genauere, benutzerfreundlichere und kostengünstigere Alternative“, sagte Kelly Godtz, die Gesamtprojektleiterin. „Diese Geräte werden nukleare Anlagen sicherer und effizienter machen, da sie die regulatorische Belastung verringern.“ Neben dem Schutz vor ungeschirmter Strahlung adressiert der Monitor ein wesentliches Problem der nationalen Sicherheit: die Verhinderung der heimlichen Sammlung von nicht erfasstem Nuklearmaterial in den Kanälen durch illegale Akteure.

Potenzial für künftige Anwendungen

Die Anwendung beschränkt sich nicht nur auf Brennstoffanlagen – derzeit werden die elektronischen Komponenten auf ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber extrem hohen Temperaturen getestet, mit dem Ziel, den Monitor in Reaktoren der nächsten Generation wie Salzschmelzen-Reaktoren, Small Modular Reactors (SMRs) und sogar an Außenperimetern unter rauen Bedingungen zur Diebstahlprävention einzusetzen.