ניסוי Double Chooz מודד לראשונה אנטי-נייטרינו מדלק גרעיני משומש – ופותח דרך חדשה לפיקוח גרעיני

מקור האנטי-נייטרינו הוא בדעיכת בטא של תוצרי ביקוע קצרי-חיים שממשיכים להתפרק בתוך מוטות הדלק המשומש, הן בליבות הכור שהושבתו והן בבריכות הקירור הסמוכות .

כיצד בוצע הניסוי

גלאי Double Chooz ממוקם תת-קרקעית במרחק של כ-400 מטרים משתי ליבות הכור ב-Chooz B . הגלאי מכיל יותר מ-30 מטרים מעוקבים של נוזל סקינטילטור עמוס גדוליניום המוקף בשפופרות פוטו-מכפיל .

הזיהוי מתבסס על תגובת דעיכת בטא הפוכה (IBD) — $\bar{\nu}_e + p \rightarrow e^+ + n$ — המייצרת אות צירוף אופייני: הבזק מיידי מההשמדת הפוזיטרון, ואחריו, כ-30 מיקרו-שניות מאוחר יותר, אות מלכידת הנייטרון על ידי גדוליניום . חתימה כפולה זו מאפשרת לחוקרים לזהות אירועי אנטי-נייטרינו ולדחות רקע.

לאחר השבתת כורי Chooz B, צוות Double Chooz המשיך באיסוף הנתונים עם הגלאי הרחוק, תוך מדידת השטף השיורי הן מליבות הכור שהושבתו והן מבריכות הקירור הסמוכות . במהלך תקופה של 17.2 ימים בשנת 2017, הגלאי הקרוב — הממוקם 400 מטרים מהליבות — רשם 106 ± 18 אירועי אנטי-נייטרינו מועמדים ברמת מובהקות סטטיסטית של 5.9σ . הגלאי הרחוק, במרחק 1,050 מטרים, רשם 27 ± 14 אירועים מועמדים .

אישור המודלים התיאורטיים

השטף הנמדד של האנטי-נייטרינו תאם תחזיות מחישובי סיכום המבוססים על מאגרי נתונים גרעיניים של דעיכת בטא של תוצרי ביקוע . התאמה זו מאשרת כי פליטת האנטי-נייטרינו השיורית מדלק משומש מתוארת כמותית על ידי שרשראות הדעיכה הידועות של תוצרי ביקוע קצרי-חיים, וכי האות נמשך ברמות ניתנות לזיהוי במשך ימים עד שבועות לאחר כיבוי הכור .

חשוב מכך, המדידה מדגימה כי ההתקדמות הגדולה שהושגה ב-20 השנים האחרונות הן בטכנולוגיית הזיהוי והן בתחזית התיאורטית הגיעה לנקודה שבה אפילו אות חלש זה ניתן למיצוי והשוואה למודלים בדיוק משמעותי .

השלכות למניעת הפצת נשק גרעיני ולפיקוח גרעיני

לתוצאת Double Chooz יש תועלת ישירה לפיקוח גרעיני בינלאומי, במיוחד עבור הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה אטומית (IAEA), שכבר בחנה את השימוש בגלאי אנטי-נייטרינו לניטור .

ניטור מרחוק ועמיד בפני חבלה. אנטי-נייטרינו כמעט בלתי אפשרי למיסוך או לזיוף. גלאי המוצב מחוץ לקירות המכולה יכול לאמת באופן עצמאי האם כור פועל או מושבת, והאם דלק הוזז — ללא צורך בגישה של מפקח בשטח .

רציפות ידע לאחר כיבוי. מדידה זו מוכיחה שגלאי אנטי-נייטרינו יכולים להמשיך לפקח על מתקן גם לאחר כיבוי הכור. זה נותן מענה לפער קריטי באמצעי הפיקוח הנוכחיים: תקופות השבתה הן בדיוק הזמן שבו ניתן להסיט דלק מבלי להתגלות .

זיהוי הסחת דלק. מכיוון שהאות מגיע הן מליבת הכור והן מבריכת הדלק המשומש, ירידה בלתי צפויה בקצב האנטי-נייטרינו עלולה להצביע על הסרה בלתי מורשית של מוטות דלק משומשים . נתוני Double Chooz מספקים בסיס ניסיוני מאומת המאפשר תכנון מערכות ניטור מעשיות למתקנים גרעיניים עתידיים .

מה זה אומר להמשך

מדידת Double Chooz הופכת יכולת תיאורטית קודמת ליכולת מודגמת ניסיונית. אות האנטי-נייטרינו השיורי מדלק משומש חלש — בסדרי גודל נמוכים יותר מאשר מכור פעיל — אך כעת ידוע שהוא ניתן למדידה ומתנהג כפי שנחזה על ידי הנתונים הגרעיניים הקיימים.

עבור סוכנויות פיקוח, זה מספק נקודת ייחוס מהעולם האמיתי. מערכות ניטור עתידיות יוכלו להיות מתוכננות בביטחון שהפיזיקה מובנת ושהאות מדלק משומש יכול לשמש כאינדיקטור רציף ועמיד בפני חבלה לנוכחות חומר גרעיני, גם כשהכורים שקטים.