تعاون "دبل شوز" يحقق أول قياس لمضادات النيوترينو المنبعثة من الوقود النووي المستهلك

تنشأ هذه المضادات من اضمحلال بيتا لنواتج الانشطار قصيرة العمر التي تستمر في الاضمحلال داخل مجموعات الوقود المستهلك، سواء داخل قلوب المفاعلات المغلقة أو في أحواض التبريد المجاورة .

كيف أجريت التجربة

يقع كاشف دبل شوز تحت الأرض على مسافة حوالي 400 متر من قلبي المفاعلين في محطة شوز B . يتكون الكاشف من أكثر من 30 متراً مكعباً من وميض سائل محمل بالغادولينيوم محاط بأنابيب تضخيم ضوئي .

يعتمد الكشف على تفاعل اضمحلال بيتا المعكوس (IBD) — $\bar{\nu}_e + p \rightarrow e^+ + n$ — والذي ينتج إشارة ترافق مميزة: وميض فوري من إفناء البوزيترون، تتبعه بعد حوالي 30 ميكروثانية إشارة من التقاط النيوترون بواسطة الغادولينيوم . هذا التوقيع الثنائي يسمح للباحثين بتحديد أحداث مضادات النيوترينو واستبعاد الخلفيات.

بعد إغلاق مفاعلات شوز B، واصل فريق دبل شوز جمع البيانات باستخدام الكاشف البعيد، قياساً التدفق المتبقي من كل من قلبي المفاعلين المغلقين وأحواض التبريد المجاورة . على مدى 17.2 يوماً في عام 2017، سجل الكاشف القريب - الواقع على بعد 400 متر من القلبين - 106 ± 18 حدثاً مرشحاً لمضادات النيوترينو بمستوى دلالة إحصائية 5.9 سيغما . أما الكاشف البعيد، على مسافة 1,050 متراً، فسجل 27 ± 14 حدثاً مرشحاً .

تأكيد النماذج النظرية

تطابق تدفق مضادات النيوترينو المقاس مع التوقعات من حسابات الجمع المستندة إلى قواعد البيانات النووية لاضمحلال بيتا لنواتج الانشطار . هذا التطابق يؤكد أن انبعاث مضادات النيوترينو المتبقي من الوقود المستهلك موصوف كمياً بواسطة سلاسل الاضمحلال المعروفة لنواتج الانشطار قصيرة العمر، وأن الإشارة تستمر عند مستويات قابلة للكشف لأيام إلى أسابيع بعد إيقاف المفاعل .

والأهم من ذلك، أن هذا القياس يثبت أن التقدم الكبير المحرز على مدى العشرين عاماً الماضية في كل من تكنولوجيا الكشف والتنبؤ النظري قد وصل إلى نقطة حيث يمكن استخراج حتى هذه الإشارة الضعيفة ومقارنتها بالنماذج بدقة ذات معنى .

انعكاسات على عدم الانتشار والضمانات النووية

لنتيجة دبل شوز فائدة مباشرة للضمانات النووية الدولية، ولا سيما للوكالة الدولية للطاقة الذرية (IAEA)، التي سبق أن استكشفت استخدام كاشفات مضادات النيوترينو في المراقبة .

مراقبة عن بعد ومقاومة للعبث. تكاد تكون مضادات النيوترينو مستحيلة الحجب أو التزييف. يمكن لكاشف يوضع خارج الجدران الواقية أن يتحقق بشكل مستقل من أن المفاعل يعمل أو متوقف، وما إذا كان الوقود قد نُقل - دون الحاجة إلى دخول المفتشين إلى الموقع .

استمرارية المعرفة بعد التوقف. يثبت هذا القياس أن كاشفات مضادات النيوترينو يمكنها الاستمرار في مراقبة المنشأة حتى بعد إطفاء المفاعل. هذا يسد فجوة حرجة في الضمانات الحالية: فترات التوقف هي بالضبط الأوقات التي يمكن فيها تحويل الوقود دون اكتشاف .

كشف تحويل الوقود. نظراً لأن الإشارة تأتي من كل من قلب المفاعل وحوض الوقود المستهلك، فإن الانخفاض غير المتوقع في معدل مضادات النيوترينو قد يشير إلى إزالة غير مصرح بها لمجموعات الوقود المستهلك . توفر بيانات دبل شوز خطاً أساسياً تجريبياً معتمداً يجعل من الممكن تصميم أنظمة مراقبة عملية للمنشآت النووية المستقبلية .

ماذا يعني هذا للمستقبل

يقيس تجربة دبل شوز قدرة كانت نظرية بحتة إلى قدرة مثبتة تجريبياً. إشارة مضادات النيوترينو المتبقية من الوقود المستهلك ضعيفة - بأضعاف كثيرة من حيث الحجم مقارنة بالمفاعل العامل - ولكن من المعروف الآن أنها قابلة للقياس وتتصرف كما هو متوقع من البيانات النووية الحالية.

بالنسبة لوكالات الضمانات، يوفر هذا نقطة مرجعية من العالم الحقيقي. يمكن تصميم أنظمة المراقبة المستقبلية بثقة بأن الفيزياء مفهومة وأن الإشارة الصادرة من الوقود المستهلك يمكن الاعتماد عليها كمؤشر مستمر ومقاوم للعبث على وجود المواد النووية، حتى عندما تكون المفاعلات صامتة.