Лаборатория Джефферсона США подписала соглашение CRADA для продвижения коммерциализации подземного монитора непрерывного контроля трития: преодоление трудностей онлайн-мониторинга низкоэнергетических бета-частиц в подземных водах объектов атомной энергетики и термоядерных установок

Национальная ускорительная лаборатория имени Томаса·Джефферсона Министерства энергетики США (Thomas Jefferson National Accelerator Facility, сокращённо — Лаборатория Джефферсона/Jefferson Lab) объявила о подписании со стартап-компанией Canary Instruments соглашения о совместных исследованиях и разработках (Cooperative Research and Development Agreement, CRADA) для совместного продвижения коммерциализации разработанного ею нового подземного монитора непрерывного контроля радиоизотопов окружающей среды (Subsurface Continuous Radioisotope Environmental Monitor, SCREM). Данная технология специально предназначена для мониторинга загрязнения тритием подземных вод в режиме реального времени вблизи атомных электростанций, объектов ядерного топливного цикла и будущих демонстрационных термоядерных энергетических установок.

В действующей системе радиационного мониторинга подземных вод на ядерных объектах основные методы обнаружения основаны на периодическом отборе проб вручную с последующей лабораторной проверкой. Хотя измерения отличаются высокой точностью, такие работы являются «трудоёмкими и времязатратными», а также способны предоставить лишь моментальный снимок состояния водной среды на момент отбора пробы, что затрудняет своевременное обнаружение внезапных, эпизодических утечек радиоактивных веществ низкой концентрации. Система SCREM разработана с учётом потребностей долгосрочного мониторинга: она может быть непосредственно заглублена в наблюдательную скважину или геологический буровой шурф и за счёт встроенного источника питания обеспечивать непрерывный сбор и регистрацию данных in situ в течение нескольких месяцев или даже лет, что значительно повышает чувствительность обнаружения изотопов низкой концентрации и временную непрерывность измерений.

В части технического подхода к обнаружению и базовой физической архитектуры SCREM позволила преодолеть физическое ограничение, связанное с крайне низкой энергией бета-частиц (Beta Particles), испускаемых при распаде трития, которые не способны проникать на значительные расстояния и с трудом поддаются обнаружению. В системе применена конструкция на основе решётки из сцинтилляционных волокон без оболочки (Unclad Scintillating Fibers) в сочетании с кремниевыми фотоумножителями (Silicon Photomultiplier, SiPM):

Непосредственный контакт с водой и большая площадь омывания:массив сцинтилляционных волокон без оболочки находится в непосредственном контакте с подземными водами и пропускает через себя водный поток, максимально увеличивая площадь контакта волокон с водной средой, благодаря чему сверхнизкоэнергетические бета-частицы в воде могут напрямую бомбардировать сцинтиллятор, возбуждая фотоны;

Миниатюризация и считывание SiPM с низким энергопотреблением:оптический сигнал передаётся по обоим концам волокна к SiPM; по сравнению с традиционными фотоэлектронными умножителями (PMT), которые громоздки, требуют высоковольтного питания и подвержены влиянию подземной температуры и влажности, SiPM в чрезвычайно малом миниатюрном корпусе обеспечивает большой выходной сигнал при низком напряжении, а его спектральные характеристики отклика хорошо согласуются с длиной волны свечения волокна;

Двухстороннее совпадение для подавления теплового шума:фотонные сигналы, собираемые с обоих концов волокна, дискриминируются с помощью прецизионной схемы совпадений (Coincidence Detection), что практически полностью устраняет тепловой фоновый шум в условиях глубокой подземной среды. Кроме того, путём регулировки размеров и параметров волокон данная архитектура может быть гибко расширена для онлайн-мониторинга гамма-излучения (Gamma Rays), альфа-частиц (Alpha Particles) или нейтронов.

Стартап-компания Canary Instruments, получившая права на данную технологию, была создана в рамках программы поддержки трансфера технологий «Boost Platform» Министерства энергетики США. Хотя исходный патент SCREM охватывает сценарии применения для мониторинга подземных вод на традиционных атомных электростанциях с реакторами деления, Canary Instruments на начальном этапе сосредоточит усилия на продвижении на рынке демонстрационных термоядерных установок, где регуляторные механизмы более гибкие, а коммерциализация идёт ускоренными темпами. Опираясь на данное соглашение CRADA, научные сотрудники обеих сторон продолжат углублённую оптимизацию электроники считывания, валидацию базовых характеристик и разработку полнофункционального прототипа, ускоряя замыкание цепочки трансфера значимых достижений национальных лабораторий в области ядерной физики в сферу обеспечения безопасности промышленной инфраструктуры.