Progettazione, sviluppo e validazione di un dispositivo neutronico per la rivelazione in tempo reale di materiale nucleare

Rispetto al periodo della Guerra Fredda, la sicurezza nucleare è oggi considerevolmente più complessa: la tensione per il confronto tra le superpotenze nucleari è stata infatti sostituita da preoccupazioni maggiori riguardo la proliferazione illecita di materiale o armi nucleari, unita alla minaccia del terrorismo che è diventata, in questi ultimi tempi, di particolare interesse a seguito dei terribili eventi a partire dal triste 11 Settembre 2001. La rivelazione e caratterizzazione dei materiali nucleari costituisce un rilevante contributo che la scienza può fornire alla società. Si tratta in particolare di un contributo alla safety e security, alle salvaguardie nucleari, alla non proliferazione e alla rivelazione di traffico illecito di materiali nucleari e sorgenti radioattive. L’obiettivo che ci si è posti nella ricerca qui presentata è quello di progettare, mettere a punto e validare un dispositivo per la rivelazione in tempo reale di materiale nucleare. Le applicazioni del dispositivo qui presentato possono essere le più diverse, dall’analisi di valigie e pacchi sospetti in campo da parte di artificieri, al controllo bagagli da stiva in aeroporti o centri di trasporto nevralgici in genere, ai controlli doganali o di frontiera. Tra le principali tecnologie coinvolte nella misura dei materiali nucleari che includono analisi distruttive (DA, Destructive Analysis) e analisi non distruttive (NDA, Non Destructive Analysis), la capacità di penetrazione dei neutroni nella materia e quindi la possibilità di indagare il campione sospetto in profondità rendono le tecniche neutroniche attive una scelta ottimale ai fini della ricerca. La tecnica su cui si basa il funzionamento del dispositivo presentato è in particolare la Differential Die-Away time Analysis (DDAA), una tecnica attiva di ispezione nucleare sviluppata originariamente per stabilire la presenza di materiale fissile nei fusti di rifiuti radioattivi. Tale tecnica è basata sulla differenza sostanziale tra i tempi di permanenza all’interno del sistema di neutroni veloci di interrogazione, prodotti da un generatore di neutroni, e i neutroni generati da fissione termica per interazione dei neutroni di interrogazione termalizzati e i nuclei di fissile eventualmente presenti. In particolare, il segnale proveniente dai neutroni pronti da fissione termica è registrato quando ormai i neutroni veloci di interrogazione sono in pratica scomparsi. Prima della messa a punto del dispositivo è stata condotta un’analisi di fattibilità mediante simulazioni MCNPX. Gli elementi simulati di cui è costituito il dispositivo sono: • un generatore compatto di neutroni basato sulla reazione di fusione d-t; • dieci contatori proporzionali He-3 alloggiati in due blocchi di polietilene ad alta densità; • una struttura moderante che circonda il campione in analisi realizzata in carta da fotocopie; • un campione contenente circa 2g di U-235. Per confrontare diverse configurazioni simulate è risultata necessaria la definizione di una Figura di Merito (FOM) mediante un criterio matematico basato sull’interpolazione ai minimi quadrati delle curve DDAA. Tale FOM è un parametro quantitativo che caratterizza la qualità della configurazione: maggiore è la FOM, più appropriata all’implementazione sperimentale della DDAA è la geometria analizzata. Dal calcolo della FOM per diverse configurazioni è emerso che le prestazioni ottimali si raggiungono nel caso in cui venga realizzata una geometria a cavità che massimizzi le interazioni dei neutroni, aumentando la popolazione termica e la probabilità di fissione termica sui nuclei di U-235. È stato poi necessario procedere alla caratterizzazione sperimentale del generatore di neutroni e dei rivelatori a He-3. Il generatore di neutroni (MP320 Thermo Electron Corporation) è stato caratterizzato in due fasi: in una prima fase è stato utilizzato un Berthold LB6411, in una seconda fase un rivelatore al diamante. È stato effettuato il confronto del flusso valutato a 50 cm dal target del generatore in diverse posizioni angolari tra i dati forniti dalla casa costruttrice, quelli ottenuti mediante simulazione MCNPX del generatore e quelli ottenuti per elaborazione dei dati sperimentali acquisiti con i due rivelatori. Date le sue capacità spettrometriche, il rivelatore al diamante ha permesso inoltre di valutare l’energia dei neutroni emessi in corrispondenza delle diverse direzioni di emissione. I valori ottenuti sono risultati in accordo con i dati teorici. La caratterizzazione dei 10 contatori proporzionali a He-3 ha permesso di valutare la tensione ottimale di funzionamento. Valutando i conteggi registrati in presenza di una sorgente di neutroni al variare della tensione è stata ricostruita la curva di conteggio. La tensione scelta all’interno del plateau della curva di conteggio conferisce stabilità al sistema di rivelazione rispetto alle possibili oscillazioni del valore stesso della tensione e corrisponde alla situazione in cui i conteggi registrati equivalgono all’area sottesa alla distribuzione differenziale delle altezze d’impulso caratteristica del rivelatore a He-3. Il dispositivo messo a punto è stato infine testato in diverse campagne sperimentali che hanno mostrato come il dispositivo stesso sia in grado di rivelare 2g di U-235 indipendentemente dall’ambiente in cui opera. La rivelazione è avvenuta in circa 2 minuti con una resa del generatore dell’ordine di 10^7 n/s. Il dispositivo presenta dunque le potenzialità di una rivelazione real-time nel caso di resa massima del generatore (10^8 n/s). Successive campagne sperimentali e simulazioni hanno messo in luce i limiti attuali del dispositivo e i possibili futuri campi di studio. In particolare si è evidenziata la necessità di studiare l’influenza dello stato fisico del campione e della matrice in cui è inglobato e di ottimizzare il dispositivo in termini di dimensioni della cavità di indagine e di riduzione delle minime quantità rivelabili.