US-Wissenschaftler entschlüsseln mit Neutronen-Fingerabdrücken verborgene Kernisotope

Die vom Forschungsteam des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) des Department of Energy (DOE) entwickelte Methode soll die nukleare Sicherheit, die forensische Analyse sowie nationale Sicherheitsoperationen stärken. „Es ist eine perfekte Passung, nicht nur zwischen den beiden Technologien SAMMY und VENUS, sondern auch zwischen den Menschen und den Kapazitäten hier am ORNL", sagte Luiz Leal, PhD, leitender Autor des Berichts und Mitarbeiter im Bereich Forschung und Entwicklung der Gruppe für Nukleardaten.

Neuer Ansatz zur NDA-Prüfung: Die Methode kombiniert VENUS, ein weltweit führendes Neutronenbildgebungsgerät an der Spallation Neutron Source – der weltweit intensivsten beschleunigerbasierten gepulsten Neutronenquelle – mit SAMMY, einem seit langem eingesetzten Kernanalyseprogramm, das weltweit zur Verfeinerung stützt sich auf Neutronen-Fingerabdrücke, also einzigartige Resonanzsignaturen, die entstehen, wenn Neutronenstrahlen mit Atomkernen wechselwirken.

Durch deren Analyse können Wissenschaftler die genaue Zusammensetzung unbekannter oder abgeschirmter Kernmaterialien bestimmen, ohne diese zu demontieren. Kernresonanzen leiten sich aus dem Neutronenquerschnitt ab, einer der bedeutendsten Kernwirkungsdaten. Querschnitte beschreiben die Wahrscheinlichkeit, dass Neutronen mit Atomkernen wechselwirken.

Was die Studie zeigt

Sie wirken wie Fingerabdrücke für Isotope. Jesse Brown, ein Wissenschaftler für Kernwirkungsdaten, und Luiz Leal, ein angesehener Mitarbeiter der Forschungs- und Entwicklungsabteilung im Bereich Kernwirkungsdaten.

Bildnachweis: Carlos Jones, ORNL, US-Abteilung. „Sie können identifiziert werden, indem man eine Resonanzsignatur entwickelt, die entsteht, wenn man einen Neutronenstrahl über einen Energiebereich hinweg auf ein Probenmaterial richtet", sagte Leal. „Werkzeuge wie VENUS können diese Signatur mittels Neutronendurchstrahlung entwickeln." Laut dem Team erzeugt jedes Isotop bei Bestrahlung mit Neutronenstrahlen über verschiedene Energieniveaus ein charakteristisches Resonanzmuster.

Während SAMMY normalerweise genutzt wird, um Resonanzparameter aus experimentellen Daten zu verfeinern, half das Tool dem Team nun dabei, unbekannte Materialien zu identifizieren, indem es Neutronenresonanzsignale VENUS „Für diese Arbeit haben wir SAMMY rückwärts angewendet", erklärte Jesse Brown, PhD, ein Wissenschaftler für Kerndaten im Bereich der Kerndaten. „Wir haben den Code angewiesen, Fingerabdrücke zu identifizieren und abzugleichen, die durch Neutronendurchstrahlung gesammelt wurden, um die Zusammensetzung einer unbekannten Probe zu bestimmen." Das Team testete die Methode an Proben aus Gold, Tantal und natürlichem Hafnium.

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Während Gold und Tantal als einfachere Referenzmaterialien dienten, stellte Hafnium eine deutlich größere Herausforderung dar. Dies liegt daran, dass es sechs natürlich vorkommende Isotope mit überlappenden Neutronensignaturen enthält. „Gold und Tantal sind isotopisch gesehen relativ einfach.

Natürliches Hafnium hingegen nicht", erklärte Leal. „Es enthält sechs verschiedene Isotope, und deren Neutronensignaturen überlappen." Leal und Brown entwickeln Algorithmen für den SAMMY-Code. Quelle: Carlos Jones, ORNL, US-Energieministerium.

Das System gelang es, die Signale erfolgreich zu trennen und die Materialzusammensetzung mit hoher Präzision zu identifizieren. „Die Fähigkeit, diese Signale zu trennen, zeigt, dass SAMMY in Kombination mit hochwertigen Daten komplexen Zusammensetzungen identifizieren kann", fuhr Leal fort.

Moegliche Anwendungen

Nach Angaben des Teams unterstrich dieser Erfolg das wahre Potenzial präzise Messungen in Minuten statt in Tagen durchführen. Dies beschleunigt die Arbeitsabläufe der Kernanalyse erheblich.

Das Team ist der Ansicht, dass die Technologie in der Reaktorforschung, bei Untersuchungen nach der Bestrahlung sowie in nuklearen forensischen Ermittlungen, die mit abgeschirmten und gefährlichen Materialien verbunden sind, könnte. „Diese Studie verdeutlicht eindeutig die entscheidende Rolle hochwertiger experimenteller Daten, die am VENUS erzeugt werden," fasste Klaus Guber, PhD, Leiter der Gruppe für Nukleardaten, in einer Pressemitteilung zusammen.