アメリカの研究者たちは、超高感度量子センサーを利用して、ウラン、プルトニウム、そしてプルトニウムの3種類の放射性元素のX線放出量を正確に測定することに成功しました。これらのセンサーは、メリーランド州の国立標準技術研究所（NIST）で設計されました。研究者たちは、この技術が原子力発電所や武器施設内の核材料の監視を大幅に改善するだろうと述べています。放射性元素は通常、その独特なガンマ線放出によって識別されますが、一部の元素は同じエネルギー範囲内でX線を生成するため、特定の核材料とその量を特定することがより困難になります。
このプロジェクトでは、研究者たちはこれら3種類の放射性元素から放出されるX線を測定しました。彼らの研究結果は、以前の結果と比べてX線エネルギーの不確実性を3分の1から8分の1に減少させました。NISTの物理学者ジョナサン・ディーン（Jonathan Dean）は、「私たちの測定は国際的な核保障を支援し、核施設内の材料のより正確な計算を実現します。」と述べています。
量子センサー技術が核材料監視の精度を向上させる
このチームは、過渡エッジセンサー（TES）と呼ばれる装置を使用しました。この装置は、NISTで最初に開発されました。これらのセンサーは、非常に敏感なミニチュア温度計のように機能します。各センサーには、絶対零度に近い極低温に冷却された超伝導薄膜が装備されています。この温度では、研究者たちによると、薄膜の挙動は無抵抗の超伝導体と測定可能な抵抗を持つ通常の金属の境界に位置します。光子（例えばX線光子）がセンサーに当たると、微量の熱が発生し、薄膜の抵抗が急速に増加します。
過渡エッジセンサーは、当たった光子の数を検出することができます。
変化の大きさは光子のエネルギーに対応しており、これによりチームは高度に正確な測定を行うことができます。これらのセンサーを利用して、チームはウラン、プルトニウム、そしてプルトニウムのX線を測定しました。これらのX線のエネルギー範囲はガンマ線放出と重なっています。同時に、このいわゆるX線背景ノイズを除去することで、核材料中の異なる同位体の比率をより容易に特定できるようになります。同位体の比率は、放射性材料の予想される用途を示すことができます。例えば、ウラン-235はすべての自然ウランの約0.7%を占めています。原子炉燃料は数パーセントに濃縮する必要があり、兵器級ウランは約90%に達することがあります。
より正確な同位体測定は、核材料の計算と国際保障を強化することができます。
NIST技術が原子力発電所の運用効率を向上させる
NISTは、この技術が原子力発電所の運用をより効率的にすることができると述べています。ウランの核分裂による電力生成は、いくつかの段階を含みます。次の操作を行う前に、核燃料の組成を評価する必要がある場合があります。しかし、より迅速な測定はこれらの待機時間を短縮し、効率を向上させ、コストを削減することができます。ただし、この技術には限界があります。TES検出器は、絶対零度に近い状態を維持できる冷却システムが必要であり、これにより携帯型バージョンは実用的ではありません。しかし、これらの検出器は、冷却設備を運用するのに十分な電力が供給される場所であればどこでも動作することができます。
サンプルは、センサーを装備したラボに運ぶこともできます。「私たちの機器は、この2つの方法に対応できる」とディーンはプレスリリースでまとめました。
NISTとロスアラモス国立研究所は、すでに3つのアメリカ合衆国エネルギー省の研究所にTES検出器を設置し、核材料の監視を行っています。この技術は、CERN、SLAC国立加速器研究所、アルゼンチン国立研究所、そしてブルックヘブン国立研究所などの主要な研究機関でも応用されています。科学者たちは現在、検出器の精度を向上させ、冷却システムをより小型化、簡素化、コスト削減するために取り組んでいます。NISTはまた、これらの検出器の基本粒子研究や宇宙科学への応用を探求し始めています。