Nukleära nödteam, säkerhetskontrollspecialister och andra kan en dag dra nytta av en utökad kärnklyvningskedjeteori och detektorer som utvecklats av ett team av Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) fysiker.

Livermore-forskarna har stärkt sin teori för att förstå kärnklyvningskedjor - en kaskad av atomkärnor som splittras, var och en initierad av en neutron – över tid som en metod för att analysera kärnmaterial.

Två speciella kärnmaterial av särskilt intresse för vapentillämpningar – höganrikat uran (HEU) och plutonium-239 – kan upprätthålla neutroninducerade klyvningskedjereaktioner och i sin tur sända ut karakteristiska skurar av neutroner och gammastrålar.

Genom att kombinera deras nya teori och speciella detektorer, forskarna har utvecklat kraftfulla nya verktyg som gör det möjligt för dem att upptäcka och bedöma om okända föremål kan innehålla kärnmaterial.

Deras arbete möjliggör realtidsanalys av kärnmaterial och anordningar – plus bedömning av deras konfigurationer – med neutron- och gammastrålningsmetoder.

Dessa verktyg är användbara i ett brett spektrum av applikationer, inklusive vapenkontroll och gränssäkerhet.

Mycket av lagets teori erbjöds 2015 Kärnvetenskap och teknik tidskriftsartikel, där de beskrev hur klyvningskedjor agerar över tid inom klyvbart material. De beskrev också sprängtidsmönstret för neutroner och gammastrålar som emitteras av fissionskedjor i HEU och plutonium.

Vid fission, neutroner och gammastrålar sänds ut i skurar snarare än var för sig och fissionskedjor uppstår när de emitterade neutronerna orsakar ytterligare fissionshändelser i det klyvbara materialet, förstärker burst-effekten.

Efter att laget publicerat sin teori och fortsatt sina experiment, "vi såg några av effekterna av moderatorer och reflektorer och vi visste att vi behövde förfina vår teori för att förklara dessa effekter, " sa LLNL matematisk fysiker Kenneth Kim.

Moderatorer, som är material som höga explosiva ämnen och tungt vatten, sakta ner neutronernas rörelse, medan reflexer, metaller som bly och beryllium, tillåta neutronerna att studsa tillbaka till sin ursprungliga plats.

"Med vår teori, vi kan lösa neutron- och gammastrålningskorrelationer som inträffar på nanosekund (miljarddels sekund) tidsskala, och spridningsprocesser som sker på längre mikrosekunders tidsskalor, " sa Kim. "Med denna information, vi kan sedan sluta oss till den geometriska konfigurationen av kärnmaterialen och dess omgivning."

LLNL:s Les Nakae, en experimentell fysiker och teamledare, sa hans teams teori "beskriver inte bara tidsutvecklingen av klyvningskedjorna inom klyvbart material, men inkluderar också de viktiga effekterna av moderatorerna och reflektorerna som omger dem."

Nakae hyllade Kims och teoretiska fysikers teoriutvecklingsarbete Neal Snyderman och Manoj Prasad, säger:"Jag tror inte att det finns någon annan grupp i världen som kunde ha utvecklat denna teori och skulle veta hur man tillämpar den på det praktiska mätproblemet för räkning av nanosekunders neutroner och gammastrålar. Endast LLNL har denna förmåga."

Utöver deras teoretiska arbete, teamet har också utvecklat en vätskescintillatoruppsättning – som lyser upp i närvaro av joniserande strålning – och som kan räkna neutroner och gammastrålar med en miljarddels sekunds timing. Denna array har gjort det möjligt för dem att testa sin teori komplett med flera tidsskalor, eftersom neutroner kan fortplanta sig genom olika material med olika hastigheter.

Ett fjärde generationens instrument, lagets nyaste flytande scintillator array (LSA) är cirka tre fot bred och tre och en halv fot hög, använder mineralolja och byggdes förra året. Den förväntas användas för att utföra mätningar på vapen från det amerikanska kärnkraftslagret i juli vid Pantex.

"Våra nyare generationer av LSA håller på att tas ut ur laboratoriet och användas i verkliga fältförhållanden. Vi vill bestämma vilka de bästa materialen och förpackningarna är att använda i fält, " Nakae noterade, och tillägger att de kan använda kristaller och/eller teknik för detektering av plaststrålning som utvecklats av andra LLNL-forskare.

För att göra sitt instrument tillgängligt för fältarbete, laget försöker göra det robust, och kan arbeta under olika väderförhållanden. Forskarna arbetar också för att göra det möjligt att använda det av icke-experter efter månader av att ha suttit sysslolös, och att ha automatiserad databehandling.

"Vad vi gör är att vi anpassar våra algoritmer och våra tekniker för att göra dem mer robusta, så att vi kan ta våra system ut på fältet, " Nakae förklarade. "Vår förhoppning är att en dag kommer våra fältinstrument att ha samma kapacitet som våra labbinstrument redan har visat."

Kärnklyvningsteorin och LSA-instrumentet kan användas i säkerhetskontroller och fördragsverifieringsarbete. Den kan avgöra om klyvbart material finns i en kärnstridsspets och massan av det klyvbara materialet.

"Tekniken kan hjälpa oss att avgöra om en okänd enhet är ett kärnvapen och ett hot, eller inte ett hot, " sa Nakae.