Les nanomatériaux offrent un moyen plus sûr et plus rapide de mettre au point des dispositifs de détection des menaces nucléaires
Les matières nucléaires spéciales telles que l’uranium enrichi et le plutonium constituent une menace sérieuse en raison de leur utilisation potentielle dans des armes nucléaires. Pourtant, les détecter en temps utile reste un défi de taille pour la sécurité mondiale. Ces matières émettent un faible rayonnement qui peut être facilement protégé, ce qui rend leur présence difficile à repérer à l’aide de détecteurs de rayonnement classiques. Cependant, la détection des neutrons qu’ils émettent ou produisent lorsqu’ils sont interrogés par des sources de rayonnement offre une solution prometteuse. Le projet NASCAR, financé par l’UE, visait à créer un nouveau type de détecteur capable de détecter efficacement ces neutrons. Au lieu de s’appuyer sur des technologies encombrantes ou dangereuses, l’équipe s’est tournée vers les nanotechnologies, en particulier les nanotiges d’oxyde de zinc (ZnO) dopées avec l’isotope lithium 6. Le projet a été coordonné par le professeur Murat Kurudirek en collaboration avec le Dr Paul Sellin, professeur à l’université de Surrey (Royaume-Uni), ainsi que la professeure Anna Erickson et le Dr Nolan Hertel, professeur émérite, tous deux de l’Institut de technologie de Géorgie (États-Unis).
Une meilleure façon de détecter les menaces nucléaires
Les détecteurs de neutrons conventionnels recourent souvent à des gaz rares ou toxiques tels que l’hélium 3 ou le trifluorure de bore. Ces matériaux gazeux sont coûteux, parfois dangereux, et les systèmes qui les utilisent sont difficiles à mettre à l’échelle. Les chercheurs de NASCAR ont conçu un matériau de détection alternatif basé sur des réseaux de nanotiges de ZnO développés à l’aide d’une technique peu coûteuse et respectueuse de l’environnement. «Ce projet emploie une technique de croissance en solution peu coûteuse, qui ne nécessite pas de substrats monocristallins ou conducteurs ni de températures élevées pour fonctionner», explique Murat Kurudirek, chercheur du projet NASCAR. Cette méthode permet un contrôle précis de la forme et de la taille des nanotiges tout en limitant les coûts et en évitant d’avoir recours à des équipements complexes. Les détecteurs sont fabriqués en faisant croître des nanotiges de ZnO alignées verticalement et effilés, de minuscules tiges cristallines qui guident efficacement la lumière de scintillation produite dans les tiges par les interactions de rayonnement vers un capteur. Cette structure améliore la résolution spatiale et réduit la perte de photons.
Améliorer la sensibilité aux neutrons avec le lithium 6
Les neutrons thermiques sont difficiles à détecter en l’absence d’un matériau capable de les capturer efficacement. C’est pourquoi le projet a intégré le lithium 6, un isotope stable qui interagit fortement avec les neutrons thermiques ou de faible énergie. «Lorsqu’il est intégré au 6Li, dont la section efficace d’interaction avec les neutrons thermiques est très élevée, le ZnO devient très sensible aux neutrons thermiques par le biais des réactions n-alpha (n,α)», explique Murat Kurudirek. Les particules alpha et les tritons issus de l’interaction neutron-lithium déclenchent alors des émissions lumineuses dans la structure ZnO. L’équipe a mis au point des réseaux de nanotiges incorporés au lithium qui se sont révélés très sensibles aux neutrons thermiques lors d’essais en laboratoire. Leurs résultats prometteurs font actuellement l’objet d’une préparation en vue d’une publication scientifique.
De l’innovation en laboratoire à l’impact dans le monde réel
Au-delà des performances en laboratoire, les détecteurs présentent des caractéristiques adaptées à une utilisation dans le monde réel. Ils sont compacts, économiques et rapides, ce qui les rend idéaux pour les unités de détection mobiles et les systèmes de surveillance en temps réel dans les domaines du contrôle des frontières, de l’inspection des cargaisons et de la non-prolifération nucléaire. «Les réseaux coniques de nanotiges de ZnO peuvent favoriser la collecte de la lumière dans la structure et augmentent ainsi l’efficacité de la scintillation», explique Murat Kurudirek. Leur conception unique permet de guider la lumière directement dans le détecteur, ce qui améliore la résolution spatiale et réduit la perte de signal, deux défis majeurs dans les technologies de détection nucléaire. Le professeur Murat Kurudirek, aujourd’hui basé à l’université Atatürk en Turquie, prévoit de tirer parti de l’expérience de NASCAR en sollicitant des subventions concurrentielles pour créer un groupe de recherche international. Son objectif est de développer de nouvelles générations de technologies de détection nucléaire abordables, accessibles et respectueuses de l’environnement. En jetant les bases des détecteurs de la prochaine génération, le projet NASCAR a ouvert une voie évolutive vers la détection des neutrons à haute performance. Il s’agit d’une étape importante dans l’amélioration de la sécurité publique et de la sécurité nucléaire mondiale.
Mots‑clés
NASCAR, lithium 6, nanotechnologie, nanotiges de ZnO, détection des neutrons, sécurité publique
