Première mondiale : des antineutrinos détectés dans le combustible nucléaire usé, une avancée pour la surveillance des réacteurs

La collaboration a détecté des antineutrinos électroniques résiduels ($\bar{\nu}_e$) émis par le combustible nucléaire usé après l'arrêt des réacteurs de la centrale nucléaire de Chooz B, dans les Ardennes, en France . C'est la première fois que les émissions d'antineutrinos du combustible usé — distinctes de celles d'un cœur de réacteur en fonctionnement — sont mesurées quantitativement .

Ces antineutrinos proviennent de la désintégration bêta de produits de fission à courte durée de vie qui continuent de se désintégrer à l'intérieur des assemblages de combustible usé, à la fois dans les cœurs de réacteur à l'arrêt et dans les piscines de refroidissement adjacentes .

Comment l'expérience a été menée

Le détecteur Double Chooz est installé sous terre, à environ 400 mètres des deux cœurs de réacteur de Chooz B . Le détecteur est constitué de plus de 30 mètres cubes de scintillateur liquide dopé au gadolinium, entouré de tubes photomultiplicateurs .

La détection repose sur la réaction de désintégration bêta inverse ( IBD) — $\bar{\nu}_e + p \rightarrow e^+ + n$ — qui produit un signal de coïncidence caractéristique : un éclair immédiat provenant de l'annihilation du positron, suivi environ 30 microsecondes plus tard d'un signal provenant de la capture du neutron par le gadolinium . Cette signature en deux temps permet aux chercheurs d'identifier les événements antineutrinos et de rejeter les bruits de fond.

Après l'arrêt des réacteurs de Chooz B, l'équipe de Double Chooz a continué la collecte de données avec le détecteur lointain, mesurant le flux résiduel provenant à la fois des cœurs de réacteur à l'arrêt et des piscines de combustible usé adjacentes . Sur une période de 17,2 jours en 2017, le détecteur proche — situé à 400 mètres des cœurs — a enregistré 106 ± 18 événements candidats antineutrinos avec une significativité statistique de 5,9 σ . Le détecteur lointain, à 1 050 mètres, a enregistré 27 ± 14 événements candidats .

Confirmation des modèles théoriques

Le flux d'antineutrinos mesuré concorde avec les prédictions des calculs de somme basés sur les bases de données nucléaires de désintégration bêta des produits de fission . Cet accord confirme que l'émission résiduelle d'antineutrinos du combustible usé est quantitativement décrite par les chaînes de désintégration connues des produits de fission à courte durée de vie et que le signal persiste à des niveaux détectables pendant des jours à des semaines après l'arrêt du réacteur .

Il est important de noter que cette mesure démontre que les progrès considérables réalisés au cours des 20 dernières années, tant dans la technologie de détection que dans la prédiction théorique, ont atteint un point où même ce signal faible peut être extrait et comparé à des modèles avec une précision significative .

Implications pour la non-prolifération et les garanties nucléaires

Le résultat de Double Chooz a une utilité directe pour les garanties nucléaires internationales, en particulier pour l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA), qui a déjà exploré l'utilisation de détecteurs d'antineutrinos pour la surveillance .

Surveillance à distance et inviolable. Les antineutrinos sont presque impossibles à masquer ou à simuler. Un détecteur placé à l'extérieur des murs de confinement peut vérifier indépendamment si un réacteur est en fonctionnement ou à l'arrêt, et si du combustible a été déplacé — sans nécessiter l'accès d'un inspecteur sur place .

Maintien de la connaissance après l'arrêt. Cette mesure prouve que les détecteurs d'antineutrinos peuvent continuer à surveiller une installation même après l'arrêt d'un réacteur. Cela comble une lacune critique dans les garanties actuelles : les périodes d'arrêt sont précisément celles où le combustible pourrait être détourné sans être détecté .

Détection du détournement de combustible. Étant donné que le signal provient à la fois du cœur du réacteur et de la piscine de combustible usé, une baisse inattendue du taux d'antineutrinos pourrait indiquer le retrait non autorisé d'assemblages de combustible usé . Les données de Double Chooz fournissent une base expérimentale validée qui permet de concevoir des systèmes de surveillance pratiques pour les futures installations nucléaires .

Ce que cela signifie pour l'avenir

La mesure de Double Chooz transforme une capacité auparavant théorique en une capacité démontrée expérimentalement. Le signal résiduel d'antineutrinos du combustible usé est faible — d'ordres de grandeur inférieur à celui d'un réacteur en fonctionnement — mais on sait maintenant qu'il est mesurable et qu'il se comporte comme le prédisent les données nucléaires existantes.

Pour les agences de sûreté, cela constitue un point de référence concret. Les futurs systèmes de surveillance pourront être conçus en toute confiance, sachant que la physique est comprise et que le signal provenant du combustible usé peut être utilisé comme un indicateur continu et inviolable de la présence de matières nucléaires, même lorsque les réacteurs sont silencieux.