Un nuovo sistema di rilevamento basato su “Tetris” per monitorare siti nucleari
La diffusione di isotopi radioattivi dal reattore nucleare di Fukushima Daiichi in Giappone nel 2011 e la minaccia costante di una possibile emissione di radiazioni dal complesso nucleare di Zaporizhzhia nella zona di guerra ucraina hanno sottolineato la necessità di metodi efficaci e affidabili per rilevare e monitorare gli isotopi radioattivi. Meno drammaticamente, anche le operazioni quotidiane dei reattori nucleari, l’estrazione e la lavorazione dell’uranio in barre di combustibile e lo smaltimento del combustibile nucleare esausto richiedono il monitoraggio del rilascio di radioisotopi.
Design innovativo del sensore ispirato a “Tetris”
Ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) hanno sviluppato una base computazionale per progettare versioni molto semplici e snelle di configurazioni di sensori in grado di individuare la direzione di una fonte di radiazioni distribuita. Hanno inoltre dimostrato che, spostando il sensore per ottenere più letture, possono individuare la posizione fisica della fonte. L’ispirazione per la loro innovazione ingegnosa è arrivata da una fonte sorprendente: il popolare gioco per computer “Tetris”.
Avanzamenti tecnici nel rilevamento delle radiazioni
Le radiazioni vengono solitamente rilevate utilizzando materiali semiconduttori, come il cadmio zinco tellururo, che producono una risposta elettrica quando colpiti da radiazioni ad alta energia come i raggi gamma. Tuttavia, poiché le radiazioni penetrano facilmente nella materia, è difficile determinare la direzione da cui proviene il segnale con semplici conteggi. I contatori Geiger, ad esempio, forniscono semplicemente un suono di clic quando ricevono radiazioni, senza risolvere l’energia o il tipo, quindi trovare una fonte richiede di muoversi per cercare di trovare il suono massimo, in modo simile a come funzionano i rilevatori di metalli portatili. Il processo richiede all’utente di avvicinarsi alla fonte di radiazioni, il che può aumentare il rischio.
Semplificazione del rilevamento con forme “Tetris”
Le tipiche matrici di rilevatori per individuare la direzione delle fonti di radiazioni sono grandi e costose e includono almeno 100 pixel in un array 10×10. Tuttavia, il gruppo ha scoperto che utilizzando solo quattro pixel disposti nelle forme dei tetromini del gioco “Tetris” si può avvicinare all’accuratezza dei sistemi grandi e costosi. La chiave è la corretta ricostruzione computerizzata degli angoli di arrivo dei raggi, basata sui tempi in cui ciascun sensore rileva il segnale e l’intensità relativa rilevata da ciascuno, come ricostruito attraverso uno studio guidato dall’IA di sistemi simulati.
Vantaggi dei rilevatori di radiazioni semplificati
“Il merito di utilizzare un rilevatore piccolo è in termini di costi ingegneristici”, afferma Ryotaro Okabe, autore principale dello studio. Non solo gli elementi del rilevatore individuali sono costosi, tipicamente realizzati in cadmio-zinco-tellururo, o CZT, ma anche tutte le interconnessioni che trasportano informazioni da quei pixel diventano molto più complesse. “Più piccolo e semplice è il rilevatore, meglio è in termini di applicazioni”, aggiunge Mingda Li.
Test sul campo e implicazioni pratiche
In un test sul campo in cieco presso il Berkeley Lab con una vera fonte di radiazioni al cesio, guidato da Jayson Vavrek, dove i ricercatori del MIT non conoscevano la posizione effettiva della fonte, un dispositivo di prova è stato eseguito con alta precisione nel trovare la direzione e la distanza alla fonte.
“La mappatura delle radiazioni è di fondamentale importanza per l’industria nucleare, poiché può aiutare a localizzare rapidamente le fonti di radiazioni e mantenere tutti al sicuro”, afferma Benoit Forget, coautore dello studio e professore di ingegneria nucleare al MIT.
Vavrek, un altro coautore principale, afferma che mentre nel loro studio si sono concentrati su fonti di raggi gamma, crede che gli strumenti computazionali che hanno sviluppato per estrarre informazioni direzionali dal numero limitato di pixel siano “molto, molto più generali”. Non è limitato a determinate lunghezze d’onda, può essere utilizzato anche per i neutroni o persino per altre forme di luce, come la luce ultravioletta. Utilizzando questo algoritmo basato sull’apprendimento automatico e il rilevamento delle radiazioni aeree “permetterà un monitoraggio in tempo reale e una pianificazione integrata delle emergenze per incidenti radiologici”, aggiunge Lin-Wen Hu, scienziato senior presso il MIT Nuclear Reactor Lab.
Nick Mann, scienziato del ramo dei sistemi di difesa presso l’Idaho National Laboratory, afferma: “Questo lavoro è fondamentale per la comunità di risposta degli Stati Uniti e la minaccia sempre crescente di un incidente o un incidente radiologico”.
