Capteurs quantiques réduisent l’incertitude des mesures X de 8 fois

Des chercheurs aux États-Unis ont réalisé des mesures précises des émissions de rayons X émises par trois éléments radioactifs — l’uranium, le plutonium et le neptunium — à l’aide de capteurs quantiques d’une sensibilité extrême.

Ces capteurs ont été conçus au National Institute of Standards and Technology (NIST), dans le Maryland. Selon les scientifiques, ils permettraient d’améliorer significativement la surveillance des matières nucléaires dans les centrales électriques et les installations liées aux armes nucléaires.

L’identification des éléments radioactifs repose habituellement sur leurs émissions caractéristiques de rayons gamma. Or certains d’entre eux émettent également des rayons X dont les énergies se chevauchent avec celles des gamma. Ce recouvrement complique l’identification exacte des matériaux présents, ainsi que leur quantification.

Pour ce projet, les chercheurs ont mesuré les rayons X émis par ces trois éléments. Leurs résultats réduisent l’incertitude sur les énergies mesurées d’un tiers à un huitième par rapport aux données antérieures. « Nos mesures renforcent les garanties nucléaires internationales en permettant un comptage plus précis des matières dans les installations nucléaires », a déclaré Jonathan Dean, physicien au NIST.

Changements énergétiques infimes

L’équipe a utilisé des capteurs à bord de transition (TES), initialement mis au point au NIST. Ces dispositifs fonctionnent comme des thermomètres miniatures d’une extrême sensibilité. Chacun intègre une couche de film supraconducteur refroidi à une fraction de degré au-dessus du zéro absolu.

À cette température, expliquent les chercheurs, le film se trouve précisément à la frontière entre un état supraconducteur — sans résistance électrique — et un état métallique ordinaire — doté d’une résistance mesurable. Lorsqu’un photon individuel, tel qu’un rayon X, frappe le capteur, il y dépose une quantité de chaleur infinitésimale. Cela provoque une augmentation rapide de la résistance électrique du film.

L’ampleur de cette variation correspond directement à l’énergie du photon, ce qui autorise des mesures hautement précises. Grâce à ces capteurs, l’équipe a mesuré les rayons X émis par l’uranium, le plutonium et le neptunium dans des plages énergétiques chevauchant celles des émissions gamma.

Éliminer ce bruit de fond dit « X » faciliterait également la détermination des rapports isotopiques au sein des matériaux nucléaires. Ces rapports peuvent révéler l’usage prévu de la matière radioactive.

Ainsi, l’uranium-235 représente environ 0,7 % de l’uranium naturellement présent. Pour alimenter un réacteur nucléaire, son taux d’enrichissement doit atteindre plusieurs pour cent, tandis que l’uranium destiné aux armes peut contenir jusqu’à environ 90 % d’uranium-235. Des mesures isotopiques plus fiables renforceraient le suivi des matières nucléaires et les mécanismes de contrôle international.

Contrôles accélérés du combustible nucléaire

Le NIST indique que cette technologie pourrait rendre les opérations dans les centrales nucléaires nettement plus efficaces. La production d’électricité par fission de l’uranium comporte plusieurs étapes, au cours desquelles la composition du combustible nucléaire doit être vérifiée avant de passer à la phase suivante.

Des mesures plus rapides pourraient raccourcir ces délais d’attente, améliorer l’efficacité globale et réduire les coûts. Toutefois, la technologie présente une contrainte : les détecteurs TES nécessitent des systèmes de réfrigération capables de les maintenir très proches du zéro absolu, rendant toute version portable actuellement impraticable.

En revanche, les détecteurs peuvent fonctionner partout où une alimentation électrique suffisante est disponible pour faire tourner leurs équipements de refroidissement. Les échantillons peuvent aussi être transportés vers des laboratoires équipés de ces capteurs. « Nos instruments sont compatibles avec les deux approches », a conclu Jonathan Dean dans un communiqué de presse du NIST.

Le NIST et le Laboratoire national de Los Alamos ont déjà installé des détecteurs TES dans trois laboratoires du Département américain de l’énergie dédiés à la surveillance des matières nucléaires. La technologie est également déployée dans de grands centres de recherche, notamment au CERN, au Laboratoire national d’accélération SLAC, au Laboratoire national d’Argonne et au Laboratoire national de Brookhaven.

Les scientifiques poursuivent actuellement des travaux visant à améliorer la précision des détecteurs et à réduire la taille, la complexité et le coût de leurs systèmes de réfrigération. Le NIST explore également leur utilisation dans la recherche fondamentale sur les particules et en sciences spatiales.