Исследователи из Инженерного колледжа Орегонского государственного университета разработали новую технологию для измерения обогащения урана и обнаружения следовых элементов, что имеет решающее значение для ядерного нераспространения и поддержки разработки и эксплуатации ядерных реакторов нового поколения.
«Технология, которую мы разрабатываем, может поддерживать ядерные гарантии, а также развитие ядерной энергетики, — сказал Хаори Ян, доцент кафедры ядерной науки и инженерии. — Она может обеспечить измерения обогащения на месте с минимальной подготовкой образцов или без неё, что означает быстрое время выполнения работ. Её также можно использовать для мониторинга топлива в ядерных реакторах четвёртого поколения, таких как реакторы с жидкометаллическим охлаждением».
В естественном состоянии уран содержит менее 1% U-235, изотопа, который может поддерживать ядерную цепную реакцию; остальное — U-238, который гораздо менее способен это делать. Обогащение урана — это процесс, в ходе которого доля U-235 увеличивается до различных уровней в зависимости от того, предназначено ли его использование для выработки энергии, вооружения или движения авианосцев и подводных лодок.
Технологии обнаружения имеют решающее значение для Международного агентства по атомной энергии, которое действует как ядерный надзор ООН, и для Договора о нераспространении ядерного оружия, который предотвращает передачу оружия от государств, обладающих ядерным оружием, государствам, не обладающим ядерным оружием, одновременно предоставляя доступ к ядерным технологиям в мирных целях под гарантиями.
Сотрудничество между Орегонским штатом и Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией объединяет три метода обнаружения в одной системе: лазерно-индуцированную спектроскопию пробоя, лазерную абсорбционную спектроскопию и лазерно-индуцированную флуоресцентную спектроскопию.
Спектроскопия — это тип анализа, который стал возможен благодаря уникальным способам, с помощью которых различные вещества излучают, поглощают или отражают свет.
Лазерная абсорбционная спектроскопия использует перестраиваемый лазер, который пропускается через лазерно-индуцированную плазму, и измеряется количество поглощения света. Узкая полоса пропускания зондирующего лазера обеспечивает более высокое спектральное разрешение и чувствительность, что делает его идеальным для изотопных измерений. Однако для этого требуется, чтобы лазерное возбуждение происходило под углом в 90 градусов, а тщательная юстировка лазера и детектора может усложнить экспериментальные установки.
Лазерная флуоресцентная спектроскопия сочетает в себе поглощение и излучение. Атомы в плазме возбуждаются зондирующим лазером, и их флуоресценция измеряется с помощью спектрометра, что позволяет точно идентифицировать изотопы на расстоянии. Это делает её особенно полезной для приложений, требующих дистанционных измерений с высокой чувствительностью.
«Наша система полностью способна реализовать волоконно-оптическую лазерно-индуцированную спектроскопию пробоя, — сказал Ян. — В отличие от обычной ЛИСП, которая требует прямого доступа к цели по прямой видимости, волоконно-оптическая ЛИСП доставляет импульсный лазер и собирает излучаемый свет через оптические волокна. Это отделяет измерительную головку переднего плана от основной системы, что позволяет проводить безопасные и эффективные измерения в опасных или труднодоступных условиях».
Исследование опубликовано в _Journal of Analytical Atomic Spectrometry.
Помимо своей работы со спектроскопией, Ян разрабатывает систему мюонной томографии для мониторинга отработавшего ядерного топлива. Мюоны, частицы высокой энергии, похожие на электроны, но гораздо более тяжёлые, образуются в верхних слоях атмосферы, когда космические лучи сталкиваются с атомами. Их способность проникать глубоко в материалы, включая бетон и сталь, позволяет ядерным инспекторам видеть внутри сухих хранилищ.
Супермоирé-инженерия: исследование сложных структур
Несколько лет назад физики были удивлены, узнав, что наложение и тонкое скручивание двух атомарно тонких слоёв электронного материала, такого как графен, создаёт узор, который изменяет свойства материала и может даже превратить его в сверхпроводник. Эта наложенная сетка, подобная той, которая появилась бы, если бы две оконные сетки были уложены слегка наискосок, называется моирé-узором.
Но почему останавливаться на этом? Оказывается, добавление третьего слоя, причём каждый слой повёрнут под слегка разными углами, создаёт ещё более сложные помехи, известные как супермоирé-узоры (также известные как моирé из моирé). Супермоирé-узор вызывает глубокие изменения в том, как электроны движутся через материал, но до недавнего времени учёным было трудно измерить, какие именно изменения происходят и почему.
Теперь прикладные физики из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) использовали специально разработанный микроскоп для исследования свойств супермоирé-узоров в трёхслойном графене до степени, которая ранее была невозможна. Используя свой микроскоп, они увидели множество новых состояний материи, в которых электроны застревали или образовывали необычные группы, что приводило к изменениям в электронном поведении всей системы и открывало двери для изучения слоистых материалов со строго контролируемыми свойствами.
Исследование опубликовано в _Science.
Тёмная материя: новый метод обнаружения
Почти столетие учёные по всему миру ищут тёмную материю — невидимое вещество, которое, как считается, составляет около 80% массы Вселенной и необходимо для объяснения различных физических явлений. Были использованы многочисленные методы для обнаружения тёмной материи, от попыток её получения в ускорителях частиц до поиска космического излучения, которое она могла бы излучать в космосе.
Однако даже сегодня очень мало известно об основных свойствах этого вещества. Хотя оно действует в фоновом режиме, тёмная материя, как полагают, влияет на видимое вещество, но способами настолько тонкими, что их в настоящее время невозможно напрямую измерить.
Учёные считают, что если будет разработан ядерный часы — те, которые используют атомное ядро для измерения времени с чрезвычайной точностью, — даже малейшие нарушения в их тиканье могут выявить влияние тёмной материи. В прошлом году физики в Германии и Колорадо совершили прорыв в создании таких часов, используя радиоактивный элемент торий-229.
Когда исследователи из группы теоретической физики профессора Гилада Переса в Институте науки Вейцмана узнали об этом достижении, они увидели новую возможность для продвижения поисков тёмной материи, ещё до того, как полностью функциональные ядерные часы станут реальностью. В сотрудничестве с немецкой командой они недавно опубликовали исследование в _Physical Review X, предлагая новый метод обнаружения влияния тёмной материи на свойства ядра тория-229.
Подобно тому, как толкание ребёнка на качелях требует правильного времени для поддержания плавного, согласованного движения, атомное ядро также имеет оптимальную частоту колебаний, известную в физике как резонансная частота. Излучение с точно такой частотой может заставить ядро «раскачиваться» подобно маятнику между двумя квантовыми состояниями: основным состоянием и состоянием с высокой энергией. В большинстве материалов эта резонансная частота высока, что требует сильного излучения для возбуждения ядра.
Но в 1976 году учёные обнаружили, что торий-229, побочный продукт американской ядерной программы, был редким исключением. Его естественная резонансная частота достаточно низка, чтобы ею можно было управлять с помощью стандартной лазерной технологии, используя относительно слабое ультрафиолетовое излучение. Это сделало торий-229 перспективным кандидатом для разработки ядерных часов, в которых время измеряется «раскачиванием» ядра между квантовыми состояниями, подобно маятнику в традиционных часах.
Однако прогресс в создании ядерных часов застопорился на самом первом этапе, когда учёные попытались измерить резонансную частоту тория-229 с предельной точностью. Чтобы определить резонансную частоту ядра, физики направляют на него лазер с различной частотой и наблюдают, сколько энергии оно поглощает или излучает при переходе между квантовыми состояниями. По этим результатам они строят спектр поглощения, и частота, вызывающая пиковое поглощение, принимается за резонансную частоту ядра.
Почти пять десятилетий учёные не могли измерить резонансную частоту тория-229 с достаточной точностью для создания ядерных часов, но в прошлом году произошли два крупных прорыва. Группа Национального института метрологии Германии (PTB) опубликовала относительно точные измерения. Несколько месяцев спустя команда из Университета Колорадо опубликовала результаты, которые были в несколько миллионов раз более точными.
nuclear weapons states while allowing access, under safeguards, to nuclear technology for peaceful purposes.”,”The collaboration between Oregon State and the Pacific Northwest National Laboratory combines three detection techniques in a single system: laser-induced breakdown spectroscopy, laser absorption spectroscopy and laser-induced fluorescence spectroscopy. Spectroscopy is a type of analysis made possible by the unique ways that different substances emit, absorb or reflect light.”,”Laser-induced breakdown spectroscopy uses a high-energy laser pulse to generate plasma—hot gas made up of free electrons and positive ions. The light emitted by the plasma, measured with a spectrograph, shows a sample’s composition.”,”\”LIBS enables remote, rapid, onsite analysis with minimal sample preparation,\” Yang said. \”However, its spectral resolution is limited compared with absorption-based techniques.\””,”In laser absorption spectroscopy, a tunable laser is passed through the laser-induced plasma and the amount of light absorption is measured. The narrow bandwidth of the probing laser enables higher spectral resolution and sensitivity, making it ideal for isotope-specific measurements. A drawback, though, is that it requires the laser excitation to happen at a 90-degree angle, and the careful alignment of the laser and detector can add complexity to experimental setups.”,”Laser-induced fluorescent spectroscopy combines absorption and emission. Atoms in the plasma are excited with a probing laser and their fluorescence is measured with a spectrograph, enabling precise isotope identification at a distance. That makes it particularly useful for applications requiring remote, high-sensitivity measurements.”,”\”Our system is fully capable of implementing fiber-optic laser-induced breakdown spectroscopy,\” Yang said. \”Unlike conventional LIBS, which requires direct line-of-sight access to the target, fiber-optic LIBS delivers the pulsed laser and collects emitted light through optical fibers. This decouples the front-end measurement head from the main system, enabling safe and effective measurements in hazardous or hard-to-reach environments.\””,”The study is published in the Journal of Analytical Atomic Spectrometry.”,”In addition to his spectroscopy work, Yang is developing a muon tomography imaging system for monitoring spent nuclear fuel assemblies. Muons, high-energy particles similar to electrons but much heavier, are produced in the upper atmosphere when cosmic rays collide with atoms. Their ability to penetrate deep into materials including concrete and steel allow nuclear inspectors to see inside dry storage casks.”,”Yang is also working on a photon-induced fission technique to detect concealed nuclear material and is investigating low-cost, high-performance radiation detection based on nanostructured sensors and spintronics devices as alternatives to traditional detectors. Spintronics involves using electrons’ spin, a quantum property that underpins magnetism, to store and process information.”,”\”The revolutionary improvements that we’re studying will have significant impact in areas beyond nuclear material detection, including medical imaging, high-energy physics and nondestructive testing,\” he said.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tOregon State University\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник