- Los investigadores utilizaron sensores cuánticos para medir con precisión la emisión de rayos X de tres elementos radiactivos.
- Los resultados de la medición redujeron la incertidumbre de la energía de los rayos X en un tercio a un octavo.
- Los sensores de borde de transición pueden detectar el número de fotones, permitiendo mediciones altamente precisas.
- La tecnología puede mejorar la eficiencia operativa de las plantas nucleares, pero tiene limitaciones en el sistema de enfriamiento.
Investigadores en Estados Unidos han logrado utilizar sensores cuánticos de ultra alta sensibilidad para medir con precisión la emisión de rayos X de tres elementos radiactivos, incluyendo uranio, plutonio y americio. Estos sensores fueron diseñados en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en Maryland. Los investigadores afirman que esta tecnología mejorará significativamente la supervisión de materiales nucleares en plantas de energía y instalaciones de armas. Los elementos radiactivos generalmente se identifican por su emisión única de rayos gamma, pero algunos elementos también producen rayos X en el mismo rango de energía, lo que dificulta determinar el material nuclear específico y su cantidad.
En este proyecto, los investigadores midieron los rayos X emitidos por estos tres elementos radiactivos. Sus resultados, en comparación con los anteriores, redujeron la incertidumbre de la energía de los rayos X en un tercio a un octavo. Jonathan Dean, físico del NIST, declaró: "Nuestras mediciones apoyan las salvaguardias nucleares internacionales al permitir una contabilidad más precisa de los materiales en las instalaciones nucleares".
Cómo funcionan los sensores cuánticos
El equipo utilizó un dispositivo llamado sensor de borde de transición (TES), que fue desarrollado inicialmente en el NIST. Estos sensores funcionan de manera similar a termómetros microscópicos extremadamente sensibles. Cada sensor está equipado con una capa de película superconductora que se enfría a una temperatura extremadamente baja, cercana al cero absoluto. A esta temperatura, según los investigadores, la película se comporta en el límite entre un superconductor sin resistencia y un metal común con resistencia medible. Cuando un fotón, como un fotón de rayos X, golpea el sensor, produce una pequeña cantidad de calor, lo que hace que la resistencia de la película aumente rápidamente.
Los sensores de borde de transición pueden detectar el número de fotones que los golpean.
La magnitud del cambio corresponde a la energía del fotón, lo que permite al equipo realizar mediciones altamente precisas. Utilizando estos sensores, el equipo midió los rayos X del uranio, plutonio y americio, cuyos rangos de energía se superponen con las emisiones de rayos gamma. Además, la eliminación de este llamado ruido de fondo de rayos X facilitará la determinación de la proporción de diferentes isótopos en los materiales nucleares. La proporción de isótopos puede indicar el uso previsto del material radiactivo. Por ejemplo, el uranio-235 constituye aproximadamente el 0.7% de todo el uranio natural. El combustible para reactores nucleares requiere que se concentre a varios porcentajes, mientras que el uranio de grado armamentístico puede alcanzar aproximadamente el 90%.
Mediciones de isótopos más precisas pueden fortalecer la contabilidad de materiales nucleares y las salvaguardias internacionales.
Aplicaciones y desafíos de la tecnología
El NIST afirma que esta tecnología puede hacer que las operaciones en las plantas nucleares sean más eficientes. La generación de energía a través de la fisión de uranio implica varias etapas. Puede ser necesario evaluar la composición del combustible nuclear antes de proceder a la siguiente operación. Sin embargo, mediciones más rápidas pueden reducir estos tiempos de espera, mejorando la eficiencia y reduciendo costos. No obstante, esta tecnología tiene limitaciones. Los detectores TES requieren un sistema de enfriamiento que los mantenga a temperaturas cercanas al cero absoluto, lo que hace que una versión portátil no sea práctica. Sin embargo, estos detectores pueden operar en cualquier lugar donde haya suficiente energía para hacer funcionar su equipo de enfriamiento.
Las muestras también pueden ser enviadas a laboratorios equipados con sensores. "Nuestro instrumento es compatible con ambos métodos", resumió Dean en un comunicado de prensa.
El NIST y el Laboratorio Nacional de Los Álamos ya han instalado detectores TES en tres laboratorios del Departamento de Energía de Estados Unidos para la supervisión de materiales nucleares. La tecnología también se está aplicando en importantes instituciones de investigación como CERN, el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, el Laboratorio Nacional de Argentina y el Laboratorio Nacional de Brookhaven. Los científicos actualmente están trabajando en mejorar la precisión de los detectores y en hacer que sus sistemas de enfriamiento sean más compactos, simplificados y de menor costo. El NIST también ha comenzado a explorar las aplicaciones de estos detectores en la investigación de partículas fundamentales y en la ciencia espacial.
El potencial de los sensores cuánticos en la supervisión de materiales nucleares
El desarrollo de esta tecnología marca un avance significativo en el uso de sensores cuánticos en el campo de la supervisión de materiales nucleares. Al reducir la incertidumbre de la energía de los rayos X, los investigadores pueden identificar y contabilizar los materiales nucleares con mayor precisión, lo cual es crucial para las salvaguardias nucleares internacionales. A medida que avanza la tecnología, tiene el potencial de mejorar la eficiencia operativa de las plantas nucleares, reducir costos y fortalecer el control sobre los materiales nucleares. Sin embargo, la necesidad de un sistema de enfriamiento limita su portabilidad, lo que podría afectar su aplicación en ciertos entornos.