Kummitushiukkaset paljastavat käytetyn ydinpolttoaineen liikkeet – läpimurto ydinturvavalvontaan

Yhteistyö havaitsi jäännöksen elektronin antineutriinoja ($\bar{\nu}_e$), joita käytetty ydinpolttoaine lähettää sen jälkeen, kun Chooz B -ydinvoimalan reaktorit Ranskan Ardenneilla sammutettiin . Tämä on ensimmäinen kerta, kun käytetyn polttoaineen – erotuksena toimivan reaktorisydämen – antineutriinopäästöt on mitattu määrällisesti .

Antineutriinot syntyvät lyhytikäisten fissiotuotteiden beetahajoamisesta, jotka jatkavat hajoamistaan käytetyissä polttoainenippuissa sekä sammutetuissa reaktorisydämissä että viereisissä käytetyn polttoaineen jäähdytysaltaissa .

Miten koe suoritettiin?

Double Chooz -ilmaisin sijaitsee maan alla noin 400 metrin etäisyydellä Chooz B:n kahdesta reaktorisydämestä . Ilmaisin koostuu yli 30 kuutiometristä gadoliniumilla ladattua nestemäistä sintillaattoria, jota ympäröivät valomonistinputket .

Havaitseminen perustuu käänteiseen beetahajoamisreaktioon (IBD) – $\bar{\nu}_e + p \rightarrow e^+ + n$ – joka tuottaa tunnusomaisen koinsidenssisignaalin: välittömän välähdyksen positronin anihilaatiosta, jota seuraa noin 30 mikrosekunnin kuluttua signaali neutronin sieppauksesta gadoliniumiin . Tämä kaksinkertainen allekirjoitus antaa tutkijoille mahdollisuuden tunnistaa antineutriinitapahtumat ja hylätä taustakohina.

Kun Chooz B -reaktorit sammutettiin, Double Chooz -tiimi jatkoi datan keräämistä kaukoilmaisimella mitaten jäännösvirtausta sekä sammutetuista reaktorisydämistä että viereisistä käytetyn polttoaineen altaista . 17,2 vuorokauden aikana vuonna 2017 lähi-ilmaisin – joka sijaitsee 400 metrin päässä sydämistä – tallensi 106 ± 18 antineutriinokandidaattia 5,9 sigman tilastollisella merkitsevyydellä . Kaukoilmaisin, 1 050 metrin päässä, tallensi 27 ± 14 kandidaattitapahtumaa .

Teoreettisten mallien vahvistus

Mitattu antineutriinovirtaus oli sopusoinnussa summa-laskelmien ennusteiden kanssa, jotka perustuvat fissiotuotteiden beetahajoamisen ydintietokantoihin . Tämä vahvistaa, että käytetyn polttoaineen jäännösantineutriinopäästöt ovat määrällisesti kuvattavissa lyhytikäisten fissiotuotteiden tunnettujen hajoamisketjujen avulla ja että signaali pysyy havaittavalla tasolla päiviä tai viikkoja reaktorin sammuttamisen jälkeen .

Tärkeää on, että mittaus osoittaa viimeisten 20 vuoden aikana sekä ilmaisinteknologiassa että teoreettisessa ennustamisessa saavutetun suuren edistymisen olevan nyt sillä tasolla, että jopa tämä heikko signaali voidaan erottaa ja verrata malleihin merkityksellisellä tarkkuudella .

Vaikutukset ydinsulkusopimuksen noudattamisen valvontaan ja ydinmateriaalien turvaamiseen

Double Chooz -tuloksella on suoraa käyttöarvoa kansainväliselle ydinturvavalvonnalle, erityisesti Kansainväliselle atomienergiajärjestölle (IAEA), joka on jo aiemmin tutkinut antineutriinoilmaisimien käyttöä valvonnassa .

Etävalvonta, jota on vaikea peukaloida. Antineutriinoja on lähes mahdoton suojata tai väärentää. Suojarakennuksen ulkopuolelle sijoitettu ilmaisin voi itsenäisesti varmistaa, onko reaktori toiminnassa vai sammutettuna, ja onko polttoainetta siirretty – ilman että tarkastajan tarvitsee mennä paikan päälle .

Tiedon jatkuvuus sammutuksen jälkeen. Tämä mittaus todistaa, että antineutriinoilmaisimet voivat jatkaa laitoksen valvontaa myös reaktorin sammuttamisen jälkeen. Tämä täyttää kriittisen aukon nykyisissä turvatoimissa: sammutusjaksot ovat juuri niitä aikoja, jolloin polttoainetta voitaisiin ohjata muualle ilman havaitsemista .

Polttoaineen ohjauksen havaitseminen. Koska signaali tulee sekä reaktorisydämestä että käytetyn polttoaineen altaasta, odottamaton pudotus antineutriinien määrässä voisi viitata luvattomaan käytettyjen polttoainenippujen poistoon . Double Chooz -data tarjoaa validoidun kokeellisen perustason, jonka avulla voidaan suunnitella käytännöllisiä valvontajärjestelmiä tuleville ydinlaitoksille .

Mitä tämä tarkoittaa tulevaisuudessa?

Double Chooz -mittaus muuttaa aiemmin teoreettisen kyvykkyyden kokeellisesti osoitetuksi. Käytetyn polttoaineen jäännösantineutriinisignaali on heikko – useita kertaluokkia pienempi kuin toimivan reaktorin – mutta sen tiedetään nyt olevan mitattavissa ja käyttäytyvän olemassa olevan ydindatan ennustamalla tavalla.

Turvavalvontaviranomaisille tämä tarjoaa todellisen maailman vertailupisteen. Tulevat valvontajärjestelmät voidaan suunnitella luottavaisin mielin siitä, että fysiikka on ymmärretty ja että käytetyn polttoaineen signaaliin voidaan luottaa jatkuvana, peukaloinninkestävänä indikaattorina ydinmateriaalin läsnäolosta – jopa silloin, kun reaktorit ovat hiljaa.