Föreställ dig att kunna upptäcka de svagaste av radionuklidsignaler på hundratals kilometers avstånd.

Det är förmågan som skapats av forskare vid Pacific Northwest National Laboratory som har bidragit med mycket av kärnkraftsvetenskapen som ligger till grund för ett internationellt övervakningssystem utformat för att upptäcka kärnvapenexplosioner över hela världen. Systemet samlar ständigt in och analyserar luftprover för signaler som skulle indikera en kärnvapenexplosion, kanske genomfördes i hemlighet under jorden.

Otroligt, systemet kan bara upptäcka ett litet antal atomer från kärnkraftsaktivitet var som helst på planeten. När det gäller känslighet, förmågan – på plats i årtionden – är analog med förmågan att upptäcka coronavirus från en enda hosta var som helst på jorden.

WOSMIP Fjärr- och nukleär icke-spridning

Den här sommaren, experter från hela världen samlades online för att diskutera vetenskapen i en fjärrversion av ett tvåårigt möte, workshopen om signaturerna för konstgjord isotopproduktion, eller WOSMIP Remote. Evenemanget arrangerades av ett internationellt team ledd av PNNL-kärnfysikern Ted Bowyer, vars banbrytande arbete för mer än 20 år sedan hjälpte till att öppna dörren till världsomspännande övervakning av spårsignaler som förråder kärnvapenexplosioner.

WOSMIP-videosessionerna utformades för forskare som utforskar en nyckelfråga:Hur kan de skilja ut signaler av intresse, som från en kärnvapenexplosion, från godartade bakgrundssignaler som härrör från fredlig användning, såsom fungerande kärnreaktorer eller produktionsanläggningar för medicinska isotoper?

Få funktioner är viktigare för att få rätt för världens säkerhet. Ett falskt positivt kan få det internationella samfundet att dra slutsatsen att ett land genomfört ett kärnvapenprov när det inte gjorde det. Ett falskt negativt kan betyda att en olaglig kärnvapenexplosion blev oupptäckt.

"Det är som en parkvaktare som försöker skilja många lagliga lägereldar från en liten lägereld som inte är tillåten, sa Bowyer, en expert på exakt mätning av isotoper av ädelgaser som xenon. "Det är rök överallt och parkvakten måste avgöra om någon av bränderna är olagliga, och i så fall, vilka. Vårt mål är att stoppa de illegala bränderna genom att fastställa orsaken till röken."

STAX:Avslöjar radioxenon vid stacken

Under WOSMIP Remote, flera presentationer fokuserade på bakgrundssignaler som sänds ut i atmosfären från produktionen av medicinska isotoper, såsom teknetium-99m. Används ofta för att diagnostisera cancer, hjärtsjukdom, och andra hälsotillstånd, medicinska isotoper produceras i en handfull anläggningar – färre än ett dussin – som sprids över hela världen. Men deras kärnvapensignaturer, medan de ligger långt under lagstadgade nivåer, efterlikna dem från ett kärnvapenprov, och deras signaler kan vara lika starka. Denna mimik utgör ett hinder för att lokalisera verkliga signaler om oro.

För att bättre förstå dessa utsläpp, PNNL-kemist Judah Friese diskuterade en teknik som han har utvecklat, känd som källtermanalys av Xenon, eller STAX. Tekniken ligger precis i utsläppsstapeln hos en isotopproducent och registrerar nivåer av flera xenonisotoper var 15:e minut.

Två STAX-system har hittills implementerats, en vid Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO) och den andra vid Institute for Radioelements (IRE) i Belgien. Fler byggs för distribution på andra platser, med målet att installera systemen på så många medicinska isotoperproduktionsanläggningar som möjligt.

"Med exakta mått precis vid produktionspunkten från dessa anläggningar, vi kan beräkna nivåerna på bakgrundssignalerna som bör beaktas vid detektionsstationer, " sade Friese. "Med denna information, byråer och andra som övervakar signaturer av kärnvapenexplosioner kan lättare bedöma avläsningar, säkerställa att utsläpp från producenter av medicinska isotoper inte misstolkas."

Rötterna till ultraspårradioxenonmätning

STAX-tekniken mäter höga halter av isotoper och ligger bara några meter från produktionen. I den andra änden av spektrumet – att upptäcka ultraspårnivåer av radioaktivt xenon hundratals eller till och med tusentals kilometer bort – finns den teknik som Bowyer först banade väg för på 1990-talet. Bowyer granskade teknikens historia i en färsk artikel i Journal of Pure and Applied Geophysics. Forskningen om radioxenon av Bowyer och kollegor vid PNNL har finansierats av U.S. Department of Energys National Nuclear Security Administration (NNSA) och U.S.A. State Department of State.

1997, Bowyer visade att mätning av två olika typer av strålningssönderfall samtidigt skulle ge exakta mätningar av spårmängder av isotoper, eller olika former, av xenon. Mättekniken, kallas beta-gamma tillfällighet, består av fyra radioaktiva isotoper av xenon, känd kollektivt som radioxenon. Eftersom xenon inte reagerar med mycket i sin miljö, det ger en utmärkt, i stort sett intakt mål för mätning.

Bowyers fynd om beta-gamma-utsläpp utgör hjärtat av den teknik för radionukliddetektion som används i International Monitoring System (IMS), ett globalt nätverk som använder flera tekniker utformade för att övervaka kärnvapenexplosioner över hela världen.

Övervakning av ädelgasradionuklider baseras på luftprover som samlats in i IMS på upp till 40 fasta platser runt om i världen för att upptäcka och mäta isotoper av radioxenon. Andelen av de fyra xenonisotoperna i ett luftprov ger nyckelinformation om var provet har sitt ursprung.

Mätningarna är otroligt känsliga. Även när radioxenon består av bara en biljondel av en biljondel av en kubikmeter luft, forskare kan upptäcka isotopen.

Det är så känsligt att det är svårt att hitta en meningsfull metafor. "Vissa människor har sagt att det är som att plocka ut en nål från en biljon hösackar, ", sa Bowyer. "Eller plocka ut ett ord från 20 biljoner exemplar av Krig och fred. Det är som om en person öppnade en champagneflaska i Tokyo och vi visste om det på dussintals platser runt om i världen inom några dagar, om inte timmar, genom att detektera gasen som släpptes ut, " han lade till.

Xenon International

På senare år har PNNL-teamet har tagit radioxenondetekteringsteknik ett steg längre.

Forskaren Jim Hayes och kollegor belönades med både ett Federal Laboratory Consortium-utmärkelse och ett R&D 100-utmärkelse för sitt arbete med att utöka och kommersialisera laboratoriets förmåga att detektera radioxenon. Tekniken är licensierad till Teledyne Brown Engineering, som samarbetade med PNNL-teamet för att skapa en ny produkt, Xenon International, som nu genomgår sina sista steg innan den blir tillgänglig för det internationella övervakningssamfundet.

Xenon International är en övervaknings- och analysenhet ungefär lika stor som ett kylskåp som är mindre och effektivare än dagens utplacerade teknik. Den tar in ett mycket större luftprov än nuvarande system - cirka 4 kubikmeter luft - vilket gör att den kan upptäcka lägre nivåer av radioxenon. Det gör det på halva tiden av dagens fungerande system, ge forskare kritiska extra timmar när de analyserar en upptäckt.

Innovativa lösningar på ett utmanande problem

De framsteg som beskrivs i det nyligen publicerade manuskriptet i Journal of Pure and Applied Geophysics ger möjligheten att tolka och skilja signaturerna för kärntekniska utsläpp från industriella applikationer från de för kärnsprängprovning.

År 2020 markerar 20-årsdagen av certifieringen av de första radionuklidstationerna i IMS. På den tiden, betydande framsteg har gjorts i mätningen och förståelsen av signaturer för kärnvapenexplosioner. Tack vare en global gemenskap av forskare, ingenjörer, tekniker, och beslutsfattare, det är nu svårare än någonsin att genomföra ett kärnvapensprängprov och få det att gå oupptäckt. På samma gång, den senaste tidens ökning av behovet av medicinska isotoper har gjort uppgiften att övervaka sådana explosioner mer utmanande.

"De enastående prestationerna från våra forskare och ingenjörer har bidragit till att avsevärt förbättra förmågan att övervaka kärnexplosioner, " sa Dr Brent Park, NNSA:s biträdande administratör för försvarets nukleära icke-spridning. "Jag är stolt över det arbete som utförs vid våra nationella laboratorier i denna viktiga internationella fråga."