Forscher haben den Machbarkeitsnachweis für ein neuartiges Bildgebungsverfahren für Kernreaktionen mit niedriger Energie erbracht, mit dem das Vorhandensein von „besonderem Kernmaterial“ – waffenfähigem Uran und Plutonium – in Frachtcontainern nachgewiesen werden soll, die in US-Häfen ankommen. Die Methode basiert auf einer Kombination aus Neutronen und hochenergetischen Photonen, um abgeschirmte radioaktive Materialien in den Behältern zu erkennen.

Die Technik kann gleichzeitig die Dichte und die Ordnungszahl des vermuteten Materials mithilfe der monoenergetischen Gammastrahlenbildgebung messen und gleichzeitig das Vorhandensein spezieller Kernmaterialien durch Beobachtung ihrer einzigartigen Signatur der verzögerten Neutronenemission bestätigen. Der monoenergetische Charakter der neuartigen Strahlungsquelle könnte zu einer geringeren Strahlungsdosis im Vergleich zu herkömmlich eingesetzten Methoden führen. Dadurch könnte die Technik die Erkennungsleistung steigern und gleichzeitig Schäden an Elektronik und anderen strahlungsempfindlichen Gütern vermeiden.

Wenn die Technik skaliert und unter realen Inspektionsbedingungen getestet werden kann, könnte sie die Möglichkeiten zur Verhinderung des Schmuggels gefährlicher Nuklearmaterialien und ihrer potenziellen Weiterleitung an terroristische Gruppen erheblich verbessern.

Die von der National Science Foundation und dem US-Heimatschutzministerium unterstützte Forschung wurde am 18. April 2016 im Nature-Journal Scientific Reports veröffentlicht. Wissenschaftler des Georgia Institute of Technology, der University of Michigan und der Pennsylvania State University führten diese Forschung durch, die vermutlich der erste erfolgreiche Versuch ist, Uran mithilfe dieses Ansatzes zu identifizieren und abzubilden.

„Sobald eine starke Abschirmung um waffenfähiges Uran oder Plutonium angebracht ist, ist es sehr schwierig, sie passiv mithilfe von Strahlungsdetektoren zu erkennen, die einen 40-Fuß-Frachtcontainer umgeben“, sagte Anna Erickson, Assistenzprofessorin an der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering der Georgia Tech . „Eine Möglichkeit, dieser Herausforderung zu begegnen, besteht darin, die Emission eines intensiven, durchdringenden Strahlungssignals im Material zu induzieren, was eine externe Strahlungsquelle erfordert.“

Die Technik beginnt mit einem Ionenbeschleuniger, der Deuteronen, schwere Wasserstoffisotope, produziert. Die Deuteronen treffen auf ein Target aus Bor, das sowohl Neutronen als auch hochenergetische Photonen erzeugt. Die resultierenden Partikel werden zu einem fächerförmigen Strahl fokussiert, der zum Scannen des Frachtcontainers verwendet werden könnte.

Die Übertragung hochenergetischer Photonen kann genutzt werden, um Materialien innerhalb des Frachtcontainers abzubilden, während sowohl die Photonen als auch die Neutronen das spezielle Kernmaterial anregen – das dann Gammastrahlen und Neutronen emittiert, die außerhalb des Containers nachgewiesen werden können. Transmissionsbilddetektoren, die sich in der Sichtlinie des abfragenden Photonenfächerstrahls befinden, erzeugen das Bild der Ladung.

„Die Gammastrahlen unterschiedlicher Energie interagieren auf sehr unterschiedliche Weise mit dem Material, und wie die Signale gedämpft werden, wird ein sehr guter Indikator für die Ordnungszahl des verborgenen Materials und seine potenzielle Dichte sein“, erklärte Erickson. „Wir können die Übertragungseigenschaften dieser Partikel beobachten, um zu verstehen, was wir sehen.“

Wenn die Neutronen mit spaltbarem Material interagieren, lösen sie eine Spaltungsreaktion aus und erzeugen sowohl sofortige als auch verzögerte Neutronen, die trotz der Abschirmung nachgewiesen werden können. Die Neutronen lösen keine zeitverzögerte Reaktion mit nicht spaltbaren Materialien wie Blei aus, was ein Indikator dafür ist, dass sich in der Abschirmung Materialien befinden, die möglicherweise für die Entwicklung von Atomwaffen genutzt werden könnten.

„Ob es etwas Gutes, aber Schweres gibt – wie zum Beispiel Wolfram – im Vergleich zu etwas Schwerem und Abgeschirmtem wie Uran, können wir das anhand der Signaturen der Neutronen erkennen“, sagte Erickson. „Wir können die Signatur spezieller Kernmaterialien sehr deutlich in Form verzögerter Neutronen erkennen. Dies geschieht nur, wenn spezielles Kernmaterial vorhanden ist.“

Frühere Versuche zur aktiven Erkennung radioaktiver Materialien verwendeten Röntgenstrahlen, um die Frachtcontainer abzubilden, aber diese Technik hatte Schwierigkeiten mit der starken Abschirmung und könnte der Ladung schaden, wenn die Strahlungsdosis hoch war, sagte Erickson. Da die neue Technik diskrete Energien der Photonen und Neutronen nutzt, minimiert sie die Energiemenge, die in den Behälter gelangt.

Forscher am Georgia Tech – unter der Leitung von Erickson – sowie an der University of Michigan und der Penn State University – unter der Leitung von Igor Jovanovic, Professor für Nukleartechnik und radiologische Wissenschaften – zeigten, dass die Technik in einer Laborumgebung funktioniert, indem sie Uranplatten und -stäbe aufspürten.

In Tests, die in Zusammenarbeit mit dem Massachusetts Institute of Technology am Bates Linear Accelerator Center durchgeführt wurden, verwendeten die Forscher ein fächerartiges Partikelmuster, das von einem Ionenbeschleuniger erzeugt und bei 4,4 und 15,1 MeV emittiert wurde. Die Partikel passierten ein abgeschirmtes radioaktives Material und wurden auf der anderen Seite mit Cherenkov-Quarzdetektoren gemessen, die an Photomultiplierröhren angeschlossen waren.

„Dies war der Beweis dafür, dass die Physik funktioniert und dass wir diese Teilchen nutzen können, um tatsächlich zwischen verschiedenen Materialien, einschließlich spezieller Kernmaterialien, zu unterscheiden“, sagte Jovanovic. Die Technik wurde noch nicht unter realen Bedingungen eines Stahlfrachtcontainers getestet, eine solche Demonstration könnte jedoch in naher Zukunft stattfinden.