Quantification and production of radioxenon isotopes for nuclear explosion monitoring

Abstract

Der umfassende Kernwaffenteststopp-Vertrag (CTBT) untersagt seinen Unterzeichnerstaaten jede Art von Kernwaffentest und die Beihilfe dazu. Um die Einhaltung des Vertrages sicherzustellen wird momentan ein weltweites internationales Überwachungssystem (IMS) errichtet. Es besteht aus seismischen und hydro-akustischen sowie für Infraschall und Radionuklide empfindlichen Sensoren. Die Messung von atmosphärischem Radioxenon spielt hierbei eine Schlüsselrolle in der Auffindung von verdeckt durchgeführten Kernwaffentests, denn sie ermöglicht es, eindeutige Beweise zum nuklearen Charakter eines als verdächtig eingestuften Ereignisses zu erbringen. Insgesamt 40 Probennahmestationen für Radioxenon saugen ohne Unterbrechung atmosphärische Luft an, analysieren diese und senden die Ergebnisse an das Internationale Datenzentrum (IDC) in Wien. Das österreichische Labor ATL03 ist eines der 16 vorgesehenen Labors des IMS, die die Aufgabe haben, die Radionuklidstationen als Teil des Programms zur Qualitätssicherung zu unterstützen. Aus diesem Grund wurde ein Radioxenon Laborsystem entwickelt, das Austrian Xenon Laboratory (AXeL). AXeL kann atmosphärische Gasproben aufbereiten und auf ihren Anteil an stabilem Xenon und den Aktivitäten der vier CTBT-relevanten Radioxenonisotope Xe-131m, Xe-133m, Xe-133 und Xe-135 hin untersuchen. AXeL wurde in Experimenten ausgiebig getestet und in internationalen Ringversuchen validiert. Im Dezember 2014 wurde das ATL03 von der CTBTO als weltweit erstes Edelgaslabor des IMS für die Messung von Radioxenon zertifiziert. Tests und Validierungen sind untrennbar mit der Verfügbarkeit und der Anwendung von Radioxenonisotopen verbunden. Deshalb wurden Methoden zur Produktion von Radioxenonisotopen vor Ort entwickelt. Die beiden Austrian Xenon Generators AXG1 und AXG2 basieren auf der Eigenschaft von Cf-252 zur Spontanspaltung beziehungsweise dem radioaktiven Zerfall von I-131 um die vier Radioxenonisotope in ausreichenden Aktivitäten herzustellen.

The Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty (CTBT) forbids its state signatories all types of nuclear weapons tests. In support of the verification of compliance with the treaty the International Monitoring System (IMS), a worldwide network of seismic, hydro-acoustic, infrasound and radionuclide sensors, is currently being established. Measurement of atmospheric radioxenon plays a key role in the identification of clandestine nuclear weapons tests, since it can provide unambiguous proof of the nuclear nature of suspicious events. A total of 40 radioxenon sampling stations continuously sample and analyze atmospheric radioxenon and transmit results to the International Data Centre (IDC) in Vienna, Austria. The Austrian laboratory ATL03 is one of the 16 designated laboratories within the IMS that have the task to support the radionuclide stations as part of the quality assurance program. Therefore, a radioxenon laboratory measurement system has been developed, the Austrian Xenon Laboratory (AXeL). AXeL can process and analyze atmospheric gas samples according to their stable xenon content and radioxenon activities of the four CTBT-relevant radioxenon isotopes Xe-131m, Xe-133m, Xe-133 and Xe-135. The performance of the AXeL system has been tested and validated thoroughly in experiments and international intercomparison exercises. In December 2014 the ATL03 has been certified by the CTBTO as the first noble gas laboratory within the IMS. Testing and validation is necessarily linked to the availability and application of radioxenon isotopes. Therefore, methods of radioxenon isotope production have been developed at ATL03. The two Austrian Xenon Generators AXG1 and AXG2 take advantage of the spontaneous fission decay branch of Cf-252 respectively the radioactive decay of I-131 to produce the four CTBT-relevant radioxenon isotopes in suitable activities.