Un gruppo di fisici, chimici e metrologi ha appena sviluppato un aerogel scintillante che consente misurazioni in tempo reale con eccellente sensibilità di alcuni gas radioattivi, essenziali per monitorare il corretto funzionamento delle centrali nucleari.
Questo metodo offre un’alternativa più rapida ed economica rispetto ai metodi attuali, spesso complessi e costosi. Questo lavoro è stato pubblicato sulla rivista Fotonica della natura il 2 settembre 2024.
Il trizio (3H), il krypton-85 (85Kr) e carbonio-14 (14C) sono tra i gas radioattivi maggiormente rilasciati dalindustria nucleare durante la produzione dielettricità O riciclaggio rifiuti radioattivi [1].
Se questi radionuclidi [2] non costituiscono un rischio importante, la loro misurazione precisa è un indicatore essenziale per monitorare il corretto funzionamento delle centrali nucleari e prevenire gli incidenti. Tuttavia questi radionuclidi rientrano tra quelli il cui decadimento radioattivo non è accompagnato dall’emissione di raggi gamma, sono emettitori beta puri e richiedono processi di rilevazione e misurazione specifici.
Attualmente le tecnologie utilizzate si basano sui principi gas-liquido e gas-gas, ma sono costose e complesse, non consentono di distinguere rapidamente i radionuclidi, generano scorie e sono molto inefficaci per alcuni dei gas radioattivi analizzati.
Il lavoro svolto dagli scienziati del Light Matter Institute (CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1), del Laboratorio di Chimica dell’ENS de Lyon (CNRS/ENS de Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1) e del Laboratorio Nazionale Henri Becquerel (CEA ) hanno consentito di sviluppare a tecnologia rilevamento in tempo reale affidabile ed economico, basato su una miscela gas-solido.
Si basa sulla sintesi di un aerogel spesso circa un centimetro e qualche centimetro di diametro, da nanoparticelle di materiali particelle scintillanti la cui dimensione è dell’ordine di 5 nanometri. Questo composito ha una struttura ultraporosa, simile ad una spugna, composta solo dal 15% di solido pur essendo trasparente.
Questa architettura unica consente ai gas di diffondersi con grande facilità. Quando il gas entra nella cuvetta per scintillazione ed entra in contatto con l’aerogel, l’aerogel converte l’energia prodotta dall’emissione di elettroni durante il decadimento dei radionuclidi in luce visibile. Questo lampo di luce viene immediatamente catturato da a sistema di rilevamento ultrasensibile, capace di misurare ogni fotone quasi istantaneamente.
L’analisi dettagliata di queste emissioni luminose ha permesso di sviluppare un metodo innovativo per distinguere e misurare in linea le emissioni beta pure di diverse energie, come ad esempio quelle di trizio e krypton-85 nello stesso campione di gas. Queste scoperte sono state sviluppate e convalidate sia teoricamente che sperimentalmente utilizzando un esperimento all’avanguardia sui gas radioattivi. Le efficienze di rilevamento ottenute sono del 20% per il trizio e quasi del 100% per il kripton. Infine, il scintillatore inorganico non è contaminato da gas radioattivi, il che lo rende riutilizzabile e limita la produzione di rifiuti, a differenza di altre tecniche.
Questo nuovo approccio alla rilevazione dei gas radioattivi consente di prevedere un ampio dispiegamento di sensori dedicati al monitoraggio delle attività nucleari civili. Potrebbe essere esteso ad altri radionuclidi beta-emittenti, anch’essi cruciali per la sorveglianza del territorio, come il carbonio-14 (14C), xeno-133 (133Xe) e l’argon-37 (37Ar), che consentirebbe di estendere i campi di applicazione al campo civile, medico e militare.
Questa scoperta fa parte del progetto europeo SPARTE [3] ed è oggetto di numerose domande di brevetto.
Note:
[1] Una media di 400 terabecquerel (ovvero 400 x 1012 becquerel), per gigawatt elettrico all’anno per la produzione di elettricità.
[2] Atomo con nucleo instabile.
[3] Finanziato dall’Unione Europea nell’ambito del programma Horizon 2020 FET – OPEN.
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