Нейтрино позволили рассмотреть реакцию внутри ядерного реактора

Активная зона опытного реактора.

Argonne National Laboratory

Нейтринный детектор Nucifer, установленный во Франции рядом с экспериментальным ядерным реактором Osiris, позволил эффективно отслеживать ход ядерной реакции и изотопный состав топлива. Эта технология позволит гарантированно обнаружить несанкционированное производство оружейного плутония и является важным шагом в задаче нераспространения ядерного оружия. Публикация с результатами первого года работы установки появилась в архиве е-принтов arxiv.org.

Нейтрино, самые трудноуловимые из известных элементарных частиц, уже нашли не только научные, но и вполне практически применения. Благодаря своей высокой проникающей способности они позволяют «разглядеть» то, что происходит в толще вещества и до чего не могут добраться другие методы наблюдения. Например, нейтрино могут свободно проходить сквозь Землю — и это позволяет измерить радиогенное тепло, выделяющееся в разных слоях планеты.

Другой важный пример — это прямое наблюдение за активной зоной ядерных реакторов. Горение ядерного топлива в реакторе производит вторичные изотопы, многие из которых бета-радиоактивны и распадаются с испусканием электрона и антинейтрино. Поскольку мощность реактора велика, идущий из него нейтринный поток огромен. Поэтому если рядом с реактором, на расстоянии нескольких метров, поставить нейтринный детектор, то он, даже при всей неуловимости нейтрино, сможет регистрировать их сотнями в сутки и отслеживать работу реактора почти в реальном времени. И самое важное, что этот нейтринный поток — а значит, и всю информацию, которую он несет, — не спрячешь ни за какими многометровыми бетонными стенами.

Установка по нейтринометрии реактора будет решать сразу несколько задач. Прежде всего, техническую. Она позволит вести мониторинг того, как именно выгорает ядерное топливо в реакторе. Наблюдения за нейтринным потоком дают не только общую мощность реактора, — она измеряется и обычными методами, — но и позволяет проследить эволюцию изотопного состава топлива в процессе горения. Это делается с помощью энергетического спектра нейтрино. Такие наблюдения покажут, в частности, вырабатывается ли в процессе горения плутоний и сколько его остается в выгружаемом топливе по окончании цикла работы. А поскольку плутоний может использоваться при создании ядерного оружия, такой мониторинг позволит наблюдательным организациям, например, Международному агентству по атомной энергии, контролировать соблюдение требований по нераспространению ядерного оружия.

Нейтринометрия позволит выполнить и томографию ядерного реактора — восстановить пространственную картину выгорания топлива в реакторе с достаточно крупной активной зоной (желающие могут потренироваться в расчете этого эффекта). Если окажется, что горение идет неравномерно, это будет означать, что топливо расходуется неэффективно, а значит, потребуется оптимизировать процесс. Обычными методами эту информацию получить трудно.

Наконец, такая установка, расположенная буквально в считанных метрах от источника, позволит решить и чисто научный вопрос. Если в природе существует еще один тип нейтрино с умеренно большой массой, то он может вызывать осцилляции нейтрино на расстоянии в несколько метров. Если поставить несколько детекторов на разном удалении от источника, то по их показаниям можно будет уловить эти осцилляции. Ну а если установка сможет еще и перемещаться вперед-назад, то здесь справится и один детектор.

Из-за практической и научной ценности таких компактных нейтринных детекторов во многих странах ведется активная программа по их созданию и запуску. Установка такого типа есть и в России: это детектор DANSS, который поэтапно вводится в строй в России, на Калининской АЭС. Есть они и в других странах. Так, во Франции уже работает детектор Nucifer, который установлен рядом с многоцелевым исследовательским реактором OSIRIS мощностью 70 МВт с размерами активной зоны всего в десятки сантиметров. Объем самого детектора — примерно кубометр; расположен он на расстоянии 7,2 метра от реактора и окружен массивной многослойной защитой от вторичной радиации, наведенной самим реактором.

Чувствительное вещество детектора — это жидкий сцинтиллятор, допированный гадолинием. Антинейтрино сталкивается с атомом водорода (т.е. протоном), порождает позитрон и нейтрон. Позитрон за счет аннигиляции дает оптическую вспышку сразу, а нейтрон должен сначала замедлиться, пойматься ядром гадолиния, и только потом, спустя десятки микросекунд, он выдает гамма-вспышку. Такой двухэтапный метод позволяет отличить нейтринное событие от постороннего радиационного фона (а он, из-за космических мюонов, очень велик). Измерительная способность детектора контролировалась с помощью стандартного источника Am-Be (америций-241 и бериллий), который испускает нейтрон в паре с гамма-фотонами.

Результаты первого полноценного сеанса работы детектора Nucifer с июня 2014 по июль 2015 года появились недавно в архиве епринтов arxiv.org. Детектор набирал статистику в течение 145 дней с работающим реактором и 106 дней — с выключенным. За это время было накоплено свыше 40 тысяч событий-кандидатов в электронные антинейтрино, что дает темп счета 281±7 нейтринных событий в день и вполне согласуется с теоретическими ожиданиями. Статистика, набранная за каждые 5 дней, усреднялась и наносилась на график, — и это позволяло отслеживать эволюцию потока с течением времени.

Полученные данные четко показывают, что нейтринные измерения вполне согласуются с теоретическими расчетами, выполненными на основе известного изотопного состава топлива. Более того, детектор демонстрирует хорошую чувствительность к потенциально опасному изотопу плутония-239. Если предположить, например, что масса плутония в топливе была не такая, как заявлено, а намного больше, то при данной полной мощности реактора поток нейтрино получился бы заметно ниже. Таким образом, этот эксперимент позволяет напрямую измерить количество плутония в реакторе, сравнить его с заявленными значениями, и проследить его эволюцию во времени — всё то, что требуется от технологий по предотвращению незаконного производства оружейного плутония.

Игорь Иванов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.