- Forscher nutzten Quantensensoren zur präzisen Messung der Röntgenemissionen von drei radioaktiven Elementen.
- Die Messergebnisse reduzierten die Unsicherheit der Röntgenenergie um ein Drittel bis ein Achtel.
- Übergangs-Edge-Sensoren können die Anzahl der Photonen erfassen und ermöglichen hochpräzise Messungen.
- Die Technologie kann die Effizienz von Kernkraftwerken steigern, unterliegt jedoch Einschränkungen durch das Kühlsystem.
US-amerikanische Forscher haben erfolgreich hochempfindliche Quantensensoren eingesetzt, um die Röntgenemissionen von drei radioaktiven Elementen, darunter Uran und Plutonium, präzise zu messen. Diese Sensoren wurden am National Institute of Standards and Technology (NIST) in Maryland entwickelt. Die Forscher erklären, dass diese Technologie die Überwachung von Nuklearmaterialien in Kernkraftwerken und Waffenanlagen erheblich verbessern wird. Radioaktive Elemente werden in der Regel durch ihre einzigartigen Gammastrahlenemissionen identifiziert, aber einige Elemente erzeugen auch Röntgenstrahlen im gleichen Energiebereich, was die Bestimmung der spezifischen Nuklearmaterialien und ihrer Mengen erschwert.
In diesem Projekt haben die Forscher die von diesen drei radioaktiven Elementen ausgesandten Röntgenstrahlen gemessen. Ihre Ergebnisse haben die Unsicherheit der Röntgenenergie im Vergleich zu früheren Messungen um ein Drittel bis ein Achtel reduziert. NIST-Physiker Jonathan Dean sagte: "Unsere Messungen unterstützen die internationale nukleare Sicherung, indem sie eine genauere Bilanzierung der Materialien in Nuklearanlagen ermöglichen."
Funktionsweise der Quantensensoren
Das Team verwendete ein Gerät namens Transition-Edge Sensor (TES), das ursprünglich am NIST entwickelt wurde. Diese Sensoren funktionieren ähnlich wie extrem empfindliche Miniaturthermometer. Jeder Sensor ist mit einer supraleitenden Dünnschicht ausgestattet, die auf eine extrem niedrige Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wird. Bei dieser Temperatur, so die Forscher, befindet sich die Dünnschicht im Grenzbereich zwischen einem widerstandslosen Supraleiter und einem gewöhnlichen Metall mit messbarem Widerstand. Wenn ein Photon, wie z.B. ein Röntgenphoton, den Sensor trifft, erzeugt es eine winzige Menge an Wärme, die den Widerstand der Dünnschicht schnell ansteigen lässt.
Transition-Edge Sensoren können die Anzahl der auftreffenden Photonen erfassen.
Die Größe der Änderung entspricht der Energie des Photons, was es dem Team ermöglicht, hochpräzise Messungen durchzuführen. Mit diesen Sensoren hat das Team die Röntgenstrahlen von Uran, Plutonium und Plutonium gemessen, deren Energiebereiche mit den Gammastrahlenemissionen überlappen. Die Entfernung dieses sogenannten Röntgenhintergrundrauschens würde es einfacher machen, das Verhältnis der verschiedenen Isotope in Nuklearmaterialien zu bestimmen. Das Isotopenverhältnis kann den voraussichtlichen Verwendungszweck des radioaktiven Materials anzeigen. Zum Beispiel macht Uran-235 etwa 0,7% des gesamten natürlichen Urans aus. Kernbrennstoffe müssen auf einige Prozent angereichert werden, während waffenfähiges Uran etwa 90% erreichen kann.
Genauere Isotopenmessungen können die Bilanzierung von Nuklearmaterialien und die internationale Sicherung verstärken.
Anwendung und Herausforderungen der Technologie
Das NIST gibt an, dass diese Technologie den Betrieb von Kernkraftwerken effizienter machen kann. Die Erzeugung von Energie durch Uranspaltung umfasst mehrere Schritte. Vor dem nächsten Schritt muss möglicherweise die Zusammensetzung des Kernbrennstoffs bewertet werden. Schnellere Messungen können jedoch diese Wartezeiten verkürzen und so die Effizienz erhöhen und Kosten senken. Allerdings gibt es bei dieser Technologie tatsächlich Einschränkungen. TES-Detektoren benötigen ein Kühlsystem, das sie nahe am absoluten Nullpunkt halten kann, was eine tragbare Version unpraktisch macht. Diese Detektoren können jedoch überall dort betrieben werden, wo genügend Strom für ihre Kühlsysteme vorhanden ist.
Proben können auch in Labore transportiert werden, die mit Sensoren ausgestattet sind. "Unsere Instrumente sind in der Lage, beide Methoden zu unterstützen", fasst Dean in einer Pressemitteilung zusammen.
Das NIST und das Los Alamos National Laboratory haben bereits TES-Detektoren in drei US-Energieministeriumslabors zur Überwachung von Nuklearmaterialien installiert. Die Technologie wird auch in wichtigen Forschungseinrichtungen wie CERN, SLAC National Accelerator Laboratory, Argentinisches National Laboratory und Brookhaven National Laboratory eingesetzt. Wissenschaftler arbeiten derzeit daran, die Genauigkeit der Detektoren zu verbessern und ihre Kühlsysteme kleiner, einfacher und kostengünstiger zu gestalten. Das NIST hat auch begonnen, die Anwendung dieser Detektoren in der Grundlagenforschung der Teilchenphysik und in der Weltraumwissenschaft zu erforschen.
Das Potenzial von Quantensensoren in der Nuklearmaterialüberwachung
Die Entwicklung dieser Technologie markiert einen bedeutenden Fortschritt für Quantensensoren im Bereich der Nuklearmaterialüberwachung. Durch die Reduzierung der Unsicherheit der Röntgenenergie können Forscher Nuklearmaterialien genauer identifizieren und quantifizieren, was für die internationale nukleare Sicherung von entscheidender Bedeutung ist. Mit dem Fortschreiten der Technologie kann die Effizienz von Kernkraftwerken gesteigert, Kosten gesenkt und die Überwachung von Nuklearmaterialien verstärkt werden. Die Anforderungen an das Kühlsystem schränken jedoch die Tragbarkeit ein, was die Anwendung in bestimmten Umgebungen beeinträchtigen könnte.