Detektiranje nuklearnih materijala keramikom

Obzirom na ratna zbivanja u svijetu i povećanje tenzija na geopolitičkom planu (čitaj zveckanje oružjem), mnogi se boje da bi se moglo povećati krijumčarenje nuklearnih materijala koji bi mogli doći u ruke neželjenih vlada i raznih terorističkih skupina.

Na institutu Ruđer Bošković, skupina znanstvenika pod vodstvom dr. sc. Ivane Capan još je 2016. godine predstavila projekt E-SiCURE, čiji cilj je bio razviti specijalizirane detektore od silicij-karbida za otkrivanje posebnih nuklearnih materijala (SNM) u svrhu jačanja sigurnosti na granicama i lukama.

Sada je američki institut tehnologije MIT, u okviru projekta koji financira Ministarstvo energetike SAD-a demonstrirao vlastiti, temeljno novi način otkrivanja zračenja koji bi mogao omogućiti mnogo jeftinije detektore i mnoštvo novih aplikacija.

Znanstvenici MIT-a na ovome surađuju s tvrtkom Radiation Monitoring Devices iz Watertowna u Massachusettsu, kako bi što brže prenijeli istraživanje u detektorske proizvode.

"Naš pristup uključuje materijale i mehanizme vrlo različite od onih u detektorima koji se trenutno koriste, s potencijalno golemim prednostima u smislu smanjenih troškova, mogućnosti rada u teškim uvjetima i pojednostavljene obrade", kaže Harry L. Tuller, profesor  na MIT-ovom Odjelu za znanost i inženjerstvo materijala (DMSE).

"Upotreba gama zraka kraćeg dometa omogućuje nam da proširimo opto-ionski na radio-ionski učinak modulacijom ionskih nositelja i defekata na sučeljima materijala."

Naboj se može provesti kroz materijal na različite načine. Najpoznatiji je naboj koji nose elektroni koji pomažu u izgradnji atoma. Uobičajene primjene uključuju solarne ćelije. Ali postoje mnogi uređaji, poput gorivih ćelija i litijevih baterija, koji ovise o kretanju samih nabijenih atoma ili iona, a ne samo o njihovim elektronima.

Materijal iza aplikacija temeljenih na kretanju iona, poznatih kao čvrsti elektroliti je keramika koja se sastoji od sićušnih kristalnih zrnaca koja se zbijaju i peku na visokim temperaturama kako bi oblikovala gustu strukturu.

U svom radu iz 2022., tim MIT-a pokazao je da ultraljubičasto (UV) svjetlo obasjano krutim elektrolitom u biti uzrokuje elektroničke poremećaje na granicama zrna koje u konačnici smanjuju barijeru na koju ioni nailaze na tim granicama. Rezultat toga je što su uspjeli povećati protok iona za faktor tri, stvarajući mnogo učinkovitiji sustav.

Tehnika MIT-a objavljena 2022. radila je s UV svjetlom. U novom radu istraživači pokazuju da gama zrake također modificiraju granice zrna što rezultira bržim protokom iona koji se mogu lako detektirati. A budući da visokoenergetske gama zrake prodiru puno dublje od UV svjetla, ovo proširuje posao na jeftinu masovnu keramiku uz tanke slojeve i također omogućuje novu primjenu, alternativni pristup otkrivanju nuklearnih materijala.

Današnji najsuvremeniji detektori zračenja ovise o potpuno drugačijem mehanizmu od onog identificiranog u radu MIT-a. Oslanjaju se na signale izvedene od elektrona, a ne iona. Ali ti elektronički nositelji naboja moraju prijeći relativno velike udaljenosti do elektroda koje ih "hvataju" kako bi stvorili signal. A usput se mogu lako izgubiti jer, primjerice, udare u nesavršenosti materijala. Zato se današnji detektori izrađuju od iznimno čistih monokristalnih materijala koji omogućuju nesmetan put. Mogu se izraditi samo od određenih materijala i teško ih je obraditi, što ih čini skupima i teško ih je prilagoditi velikim uređajima.

Nasuprot tome, nova tehnika funkcionira zbog nesavršenosti zrna u materijalu. "Razlika je u tome što se mi oslanjamo na ionske struje koje se moduliraju na granicama zrna u odnosu na stanje tehnike koje se oslanja na prikupljanje elektroničkih nositelja s velikih udaljenosti", kažu znanstvenici.

Kao rezultat toga, inženjeri MIT-a se nadaju da bi njihov rad mogao rezultirati novim, jeftinijim detektorima. Na primjer, zamišljaju kamione natovarene teretom s kontejnerskih brodova koji prolaze kroz strukturu koja ima detektore s obje strane dok napuštaju luku. "U idealnom slučaju, imali biste ili niz detektora ili vrlo veliki detektor, a to je ono gdje današnji detektori nisu dovoljno učinkoviti.

Još jedna potencijalna primjena uključuje pristup geotermalnoj energiji ili ekstremnoj toplini ispod naših nogu koja se istražuje kao alternativa fosilnim gorivima bez ugljika. Keramički senzori na krajevima svrdla mogu detektirati džepove topline, zračenja, prema kojima treba bušiti. Keramika može lako izdržati ekstremne temperature i ekstremne pritiske koji se nalaze duboko ispod površine Zemlje.

Tim je uzbuđen zbog dodatnih aplikacija za svoj rad. "Ovo je bila demonstracija principa sa samo jednim materijalom", kaže Tuller, "ali postoje tisuće drugih materijala koji dobro provode ione."

Ovaj rad trenutno podržava Ured za borbu protiv oružja za masovno uništenje u sklopu Ministarstva domovinske sigurnosti SAD-a.

Rad objavljen u časopisu Advanced Materials možete pronaći na ovoj poveznici.