Des chercheurs de l'Oregon State University College of Engineering ont développé de nouvelles technologies pour la mesure d'enrichissement en uranium et la détection des éléments de trace, vital pour la non-prolifération nucléaire et le soutien du développement et de l'exploitation des réacteurs nucléaires de nouvelle génération.
« La technologie que nous développons peut soutenir des garanties nucléaires ainsi que le développement de l'énergie nucléaire », a déclaré Haori Yang, professeur agrégé de sciences nucléaires et d'ingénierie. « Il peut permettre des mesures d'enrichissement sur place avec une préparation minimale ou pas d'échantillon, ce qui signifie un délai d'exécution rapide. Il peut également être utilisé pour surveiller le carburant dans les réacteurs nucléaires Gen-IV, tels que les réacteurs refroidis par métal liquide. »
Dans son état naturel, l'uranium contient moins de 1% U-235, l'isotope qui peut soutenir une réaction en chaîne nucléaire; Le reste est U-238, ce qui est beaucoup moins capable de le faire.
L'enrichissement en uranium est un processus par lequel la proportion de U-235 est augmentée à différents niveaux selon que l'utilisation prévue est la production d'électricité, les armes ou la propulsion pour les porte-avions et les sous-marins.
Les technologies de détection sont cruciales pour l'International Atomic Energy Agency, qui agit comme le chien de garde nucléaire des Nations Unies, et le traité sur la non-prolifération des armes nucléaires, ce qui empêche le transfert d'armes des états d'armes nucléaires aux états d'armes non nucléaires.
La collaboration entre l'État de l'Oregon et le Pacific Northwest National Laboratory combine trois techniques de détection dans un seul système: spectroscopie de dégradation induite par le laser, spectroscopie d'absorption laser et spectroscopie de fluorescence induite par le laser. La spectroscopie est un type d'analyse rendu possible par les façons uniques que différentes substances émettent, absorbent ou reflètent la lumière.
La spectroscopie de dégradation induite par le laser utilise une impulsion laser à haute énergie pour générer du plasma, du gaz, composé d'électrons libres et d'ions positifs. La lumière émise par le plasma, mesurée avec un spectrographe, montre la composition d'un échantillon.
« Les LIB permettent une analyse éloignée, rapide et sur place avec une préparation d'échantillons minimale », a déclaré Yang. « Cependant, sa résolution spectrale est limitée par rapport aux techniques basées sur l'absorption. »
Dans la spectroscopie d'absorption du laser, un laser accordable est passé à travers le plasma induit par le laser et la quantité d'absorption de lumière est mesurée. La bande passante étroite du laser de sondage permet une résolution spectrale et une sensibilité plus élevées, ce qui le rend idéal pour les mesures spécifiques aux isotopes. Un inconvénient, cependant, est qu'il nécessite que l'excitation laser se produise à un angle à 90 degrés, et l'alignement minutieux du laser et du détecteur peut ajouter de la complexité aux configurations expérimentales.
La spectroscopie fluorescente induite par le laser combine l'absorption et l'émission. Les atomes dans le plasma sont excités avec un laser de sondage et leur fluorescence est mesurée avec un spectrographe, permettant une identification précise des isotopes à distance. Cela le rend particulièrement utile pour les applications nécessitant des mesures à distance et à haute sensibilité.
« Notre système est entièrement capable de mettre en œuvre la spectroscopie de panne induite par le laser en fibre optique », a déclaré Yang. « Contrairement aux LIB conventionnels, qui nécessitent un accès direct à la visée à la cible, les LIB à fibre optique délivrent le laser pulsé et recueille la lumière émise à travers les fibres optiques. Cela découple la tête de mesure frontale à partir du système principal, permettant des mesures sûres et efficaces dans des environnements dangereux ou durs à la recours. »
L'étude est publiée dans le Journal of Analytical Atomic Spectrométrie.
En plus de son travail de spectroscopie, Yang développe un système d'imagerie de tomographie par muon pour surveiller les assemblages de combustibles nucléaires usés. Des muons, des particules à haute énergie similaires aux électrons mais beaucoup plus lourds, sont produites dans la haute atmosphère lorsque les rayons cosmiques entrent en collision avec les atomes. Leur capacité à pénétrer profondément dans les matériaux, y compris le béton et l'acier, permettent aux inspecteurs nucléaires de voir à l'intérieur des fûts de stockage sec.
Yang travaille également sur une technique de fission induite par des photons pour détecter les matières nucléaires dissimulées et étudie la détection de rayonnement à faible coût et à haute performance basée sur des capteurs nanostructurés et des dispositifs spintroniques comme alternatives aux détecteurs traditionnels. Spintronics implique l'utilisation du spin des électrons, une propriété quantique qui sous-tend le magnétisme, pour stocker et traiter les informations.
« Les améliorations révolutionnaires que nous étudions auront un impact significatif dans les domaines au-delà de la détection des matières nucléaires, notamment l'imagerie médicale, la physique à haute énergie et les tests non destructifs », a-t-il déclaré.
