- Para peneliti menggunakan sensor kuantum untuk mengukur secara akurat emisi sinar-X dari tiga unsur radioaktif.
- Hasil pengukuran mengurangi ketidakpastian energi sinar-X hingga sepertiga hingga seperdelapan.
- Sensor tepi transisi dapat mendeteksi jumlah foton, memungkinkan pengukuran yang sangat tepat.
- Teknologi ini dapat meningkatkan efisiensi operasi pembangkit listrik tenaga nuklir, tetapi memiliki keterbatasan dalam sistem pendingin.
Para peneliti Amerika telah berhasil menggunakan sensor kuantum yang sangat sensitif untuk mengukur secara akurat emisi sinar-X dari tiga unsur radioaktif, termasuk uranium, plutonium, dan plutonium. Sensor ini dirancang di National Institute of Standards and Technology (NIST) di Maryland. Para peneliti menyatakan bahwa teknologi ini akan sangat meningkatkan pemantauan bahan nuklir di dalam pembangkit listrik tenaga nuklir dan fasilitas senjata. Unsur radioaktif biasanya diidentifikasi melalui emisi sinar gamma yang unik, tetapi beberapa unsur menghasilkan sinar-X dalam rentang energi yang sama, sehingga membuat penentuan bahan nuklir spesifik dan jumlahnya menjadi lebih sulit.
Dalam proyek ini, para peneliti mengukur sinar-X yang dipancarkan oleh ketiga unsur radioaktif tersebut. Hasil penelitian mereka, dibandingkan dengan hasil sebelumnya, mengurangi ketidakpastian energi sinar-X hingga sepertiga hingga seperdelapan. Jonathan Dean, seorang fisikawan di NIST, menyatakan, "Pengukuran kami mendukung jaminan nuklir internasional dengan memungkinkan perhitungan bahan yang lebih tepat di fasilitas nuklir."
Cara Kerja Sensor Kuantum
Tim ini menggunakan perangkat yang disebut sensor tepi transisi (TES), yang awalnya dikembangkan di NIST. Prinsip kerja sensor ini mirip dengan termometer mikro yang sangat sensitif. Setiap sensor dilengkapi dengan lapisan film superkonduktor yang didinginkan hingga suhu yang sangat rendah, mendekati nol mutlak. Pada suhu ini, menurut para peneliti, film tersebut berada di perbatasan antara superkonduktor tanpa hambatan dan logam biasa dengan hambatan yang dapat diukur. Ketika foton (seperti foton sinar-X) mengenai sensor, sensor tersebut menghasilkan sejumlah kecil panas, yang menyebabkan hambatan film meningkat dengan cepat.
Sensor tepi transisi dapat mendeteksi jumlah foton yang mengenainya.
Besarnya perubahan sesuai dengan energi foton, yang memungkinkan tim untuk melakukan pengukuran yang sangat tepat. Dengan menggunakan sensor ini, tim mengukur sinar-X dari uranium, plutonium, dan plutonium, yang memiliki rentang energi yang tumpang tindih dengan emisi sinar gamma. Pada saat yang sama, menghilangkan kebisingan latar belakang sinar-X ini akan memudahkan untuk menentukan proporsi isotop yang berbeda dalam bahan nuklir. Proporsi isotop dapat menunjukkan penggunaan yang diharapkan dari bahan radioaktif. Misalnya, uranium-235 menyumbang sekitar 0,7% dari semua uranium alami. Bahan bakar reaktor nuklir perlu memusatkannya hingga beberapa persen, sedangkan uranium tingkat senjata dapat mencapai sekitar 90%.
Pengukuran isotop yang lebih akurat dapat memperkuat perhitungan bahan nuklir dan jaminan internasional.
Penerapan dan Tantangan Teknologi
NIST menyatakan bahwa teknologi ini dapat membuat operasi pembangkit listrik tenaga nuklir menjadi lebih efisien. Pembangkitan tenaga melalui fisi uranium melibatkan beberapa tahap. Mungkin perlu untuk mengevaluasi komposisi bahan bakar nuklir sebelum operasi selanjutnya. Namun, pengukuran yang lebih cepat dapat mengurangi waktu tunggu ini, sehingga meningkatkan efisiensi dan menurunkan biaya. Namun, teknologi ini memang memiliki keterbatasan. Detektor TES membutuhkan sistem pendingin yang dapat menjaganya pada suhu mendekati nol mutlak, yang membuat versi genggam menjadi tidak praktis. Namun, detektor ini dapat beroperasi di mana saja yang memiliki daya yang cukup untuk menjalankan peralatan pendinginnya.
Sampel juga dapat dikirim ke laboratorium yang dilengkapi dengan sensor. "Instrumen kami mampu mendukung kedua metode ini," kata Dean dalam sebuah siaran pers.
NIST dan Laboratorium Nasional Los Alamos telah memasang detektor TES di tiga laboratorium Departemen Energi Amerika untuk pemantauan bahan nuklir. Teknologi ini juga telah diterapkan di lembaga penelitian utama termasuk CERN, Laboratorium Akselerator Nasional SLAC, Laboratorium Nasional Argentina, dan Laboratorium Nasional Brookhaven. Para ilmuwan saat ini sedang bekerja untuk meningkatkan akurasi detektor dan membuat sistem pendinginnya lebih kecil, lebih sederhana, dan lebih murah. NIST juga mulai mengeksplorasi aplikasi detektor ini dalam penelitian partikel dasar dan ilmu antariksa.
Potensi Sensor Kuantum dalam Pemantauan Bahan Nuklir
Pengembangan teknologi ini menandai kemajuan besar dalam penggunaan sensor kuantum dalam bidang pemantauan bahan nuklir. Dengan mengurangi ketidakpastian energi sinar-X, para peneliti dapat mengidentifikasi dan menghitung bahan nuklir dengan lebih akurat, yang sangat penting untuk jaminan nuklir internasional. Seiring dengan kemajuan teknologi, dapat meningkatkan efisiensi operasi pembangkit listrik tenaga nuklir, menurunkan biaya, dan memperkuat pengawasan terhadap bahan nuklir. Namun, kebutuhan akan sistem pendingin membatasi portabilitasnya, yang mungkin mempengaruhi penerapannya di beberapa lingkungan.