Detectan por primera vez antineutrinos del combustible nuclear gastado

La colaboración detectó antineutrinos electrónicos residuales ($\bar{\nu}_e$) emitidos por el combustible nuclear gastado después del apagado de los reactores de la central nuclear Chooz B en las Ardenas, Francia . Esta es la primera vez que se miden cuantitativamente las emisiones de antineutrinos del combustible gastado, distinguiéndolas de las de un núcleo de reactor en operación .

Los antineutrinos se originan en la desintegración beta de productos de fisión de vida corta que continúan desintegrándose dentro de los ensamblajes de combustible gastado, tanto en los núcleos de los reactores apagados como en las piscinas de enfriamiento adyacentes .

Cómo se realizó el experimento

El detector de Double Chooz está ubicado bajo tierra, a una distancia de aproximadamente 400 metros de los dos núcleos del reactor en Chooz B . El detector consiste en más de 30 metros cúbicos de centelleador líquido con carga de gadolinio, rodeado por tubos fotomultiplicadores .

La detección se basa en la reacción de desintegración beta inversa (IBD) — $\bar{\nu}_e + p \rightarrow e^+ + n$ — que produce una señal de coincidencia distintiva: un destello inmediato de la aniquilación del positrón, seguido unos 30 microsegundos después por una señal de la captura del neutrón en el gadolinio . Esta firma doble permite a los investigadores identificar eventos de antineutrinos y rechazar el ruido de fondo.

Después del apagado de los reactores de Chooz B, el equipo de Double Chooz continuó la recolección de datos con el detector lejano, midiendo el flujo residual tanto de los núcleos del reactor apagado como de las piscinas de combustible gastado adyacentes . Durante un período de 17,2 días en 2017, el detector cercano — ubicado a 400 metros de los núcleos — registró 106 ± 18 eventos candidatos de antineutrinos con una significancia estadística de 5,9σ . El detector lejano, a 1.050 metros, registró 27 ± 14 eventos candidatos .

Confirmación de los modelos teóricos

El flujo de antineutrinos medido coincidió con las predicciones de los cálculos de suma basados en bases de datos nucleares de desintegración beta de productos de fisión . Esta concordancia confirma que la emisión residual de antineutrinos del combustible gastado está cuantitativamente descrita por las cadenas de desintegración conocidas de los productos de fisión de vida corta, y que la señal persiste a niveles detectables durante días o semanas después del apagado del reactor .

Es importante destacar que la medición demuestra que el gran progreso realizado en los últimos 20 años, tanto en la tecnología de detección como en la predicción teórica, ha alcanzado un punto en el que incluso esta débil señal puede ser extraída y comparada con modelos con una precisión significativa .

Implicaciones para la no proliferación y las salvaguardas nucleares

El resultado de Double Chooz tiene una utilidad directa para las salvaguardas nucleares internacionales, particularmente para el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA), que ya ha explorado el uso de detectores de antineutrinos para el monitoreo .

Monitoreo remoto y resistente a la manipulación. Los antineutrinos son casi imposibles de blindar o falsificar. Un detector colocado fuera de los muros de contención puede verificar de forma independiente si un reactor está en funcionamiento o apagado, y si el combustible ha sido movido, sin necesidad de acceso de inspectores in situ .

Continuidad del conocimiento después del apagado. Esta medición demuestra que los detectores de antineutrinos pueden continuar monitoreando una instalación incluso después de que un reactor se apaga. Esto aborda una brecha crítica en las salvaguardas actuales: los períodos de apagado son precisamente cuando el combustible podría ser desviado sin ser detectado .

Detección de la desviación de combustible. Debido a que la señal proviene tanto del núcleo del reactor como de la piscina de combustible gastado, una caída inesperada en la tasa de antineutrinos podría indicar la eliminación no autorizada de ensamblajes de combustible gastado . Los datos de Double Chooz proporcionan una línea de base experimental validada que hace posible diseñar sistemas de monitoreo prácticos para futuras instalaciones nucleares .

Qué significa esto para el futuro

La medición de Double Chooz convierte una capacidad previamente teórica en una demostrada experimentalmente. La señal residual de antineutrinos del combustible gastado es débil — órdenes de magnitud menor que la de un reactor en funcionamiento — pero ahora se sabe que es medible y que se comporta según lo predicho por los datos nucleares existentes.

Para los organismos de salvaguardas, esto proporciona un punto de referencia del mundo real. Los futuros sistemas de monitoreo podrán diseñarse con la confianza de que la física está entendida y que la señal del combustible gastado puede ser utilizada como un indicador continuo y resistente a la manipulación de la presencia de material nuclear, incluso cuando los reactores están en silencio.