परमाणु सुरक्षा में क्रांति: डबल चूज़ प्रयोग ने खर्च किए गए परमाणु ईंधन से एंटीन्यूट्रिनो के उत्सर्जन को पहली बार मापा

सहयोग ने क्या पता लगाया

सहयोग ने फ्रांस के आर्डेंस क्षेत्र में स्थित चूज़ बी परमाणु ऊर्जा संयंत्र (Chooz B nuclear power plant) के रिएक्टरों के बंद होने के बाद, खर्च किए गए परमाणु ईंधन द्वारा उत्सर्जित अवशिष्ट इलेक्ट्रॉन एंटीन्यूट्रिनो ($\bar{\nu}_e$) का पता लगाया । यह पहली बार है जब संचालित रिएक्टर कोर के विपरीत, खर्च किए गए ईंधन से एंटीन्यूट्रिनो उत्सर्जन को मात्रात्मक रूप से मापा गया है ।

ये एंटीन्यूट्रिनो अल्पजीवी विखंडन उत्पादों (short-lived fission products) के बीटा क्षय (beta decay) से उत्पन्न होते हैं, जो बंद रिएक्टर कोर और आस-पास के खर्च किए गए ईंधन शीतलन पूलों (spent-fuel cooling pools) में खर्च किए गए ईंधन असेंबलियों के अंदर क्षयित होते रहते हैं ।

प्रयोग कैसे किया गया

डबल चूज़ डिटेक्टर चूज़ बी के दो रिएक्टर कोर से लगभग 400 मीटर की दूरी पर भूमिगत स्थित है । डिटेक्टर में 30 घन मीटर से अधिक गैडोलीनियम-युक्त तरल सिंटिलेटर (gadolinium-loaded liquid scintillator) होता है, जो फोटोमल्टीप्लायर ट्यूबों (photomultiplier tubes) से घिरा होता है ।

पता लगाने की प्रक्रिया इनवर्स बीटा डिके (IBD) प्रतिक्रिया — $\bar{\nu}_e + p \rightarrow e^+ + n$ — पर आधारित है, जो एक विशिष्ट सहसंबंध संकेत उत्पन्न करती है: पॉज़िट्रॉन के विनाश (annihilation) से एक तत्काल चमक, उसके बाद लगभग 30 माइक्रोसेकंड बाद गैडोलीनियम पर न्यूट्रॉन कैप्चर से एक संकेत । यह दोहरा हस्ताक्षर शोधकर्ताओं को एंटीन्यूट्रिनो घटनाओं की पहचान करने और पृष्ठभूमि को अस्वीकार करने की अनुमति देता है।

चूज़ बी रिएक्टरों के बंद होने के बाद, डबल चूज़ टीम ने दूरस्थ डिटेक्टर (far detector) के साथ डेटा संग्रह जारी रखा, बंद रिएक्टर कोर और आस-पास के खर्च किए गए ईंधन पूलों दोनों से अवशिष्ट प्रवाह को मापा । 2017 में 17.2 दिनों की अवधि में, निकट डिटेक्टर (near detector) — जो कोर से 400 मीटर दूर स्थित है — ने 5.9σ के सांख्यिकीय महत्व के साथ 106 ± 18 एंटीन्यूट्रिनो उम्मीदवार घटनाओं को दर्ज किया । दूरस्थ डिटेक्टर (far detector) ने, जो 1,050 मीटर की दूरी पर है, 27 ± 14 उम्मीदवार घटनाओं को दर्ज किया ।

सैद्धांतिक मॉडलों की पुष्टि

मापा गया एंटीन्यूट्रिनो प्रवाह विखंडन उत्पादों के बीटा क्षय के परमाणु डेटाबेस पर आधारित योग गणनाओं (summation calculations) से प्राप्त भविष्यवाणियों से सहमत पाया गया । यह सहमति पुष्टि करती है कि खर्च किए गए ईंधन से अवशिष्ट एंटीन्यूट्रिनो उत्सर्जन अल्पजीवी विखंडन उत्पादों (short-lived fission products) के ज्ञात क्षय श्रृंखलाओं द्वारा मात्रात्मक रूप से वर्णित किया जाता है और यह संकेत रिएक्टर बंद होने के दिनों से लेकर हफ्तों तक पता लगाने योग्य स्तर पर बना रहता है ।

महत्वपूर्ण बात यह है कि यह मापन दर्शाता है कि पिछले 20 वर्षों में पता लगाने की तकनीक और सैद्धांतिक भविष्यवाणी दोनों में हुई बड़ी प्रगति उस बिंदु पर पहुंच गई है जहां इस कमजोर संकेत को भी निकाला जा सकता है और सार्थक सटीकता के साथ मॉडलों से तुलना की जा सकती है ।

अप्रसार और परमाणु सुरक्षा उपायों के लिए निहितार्थ

डबल चूज़ के परिणाम का अंतर्राष्ट्रीय परमाणु सुरक्षा उपायों, विशेष रूप से अंतर्राष्ट्रीय परमाणु ऊर्जा एजेंसी (IAEA) के लिए सीधा उपयोग है, जो पहले से ही निगरानी के लिए एंटीन्यूट्रिनो डिटेक्टरों के उपयोग का पता लगा चुकी है ।

दूरस्थ, छेड़छाड़-रोधी निगरानी। एंटीन्यूट्रिनो को ढालना या नकली बनाना लगभग असंभव है। कंटेनमेंट दीवारों के बाहर रखा गया एक डिटेक्टर स्वतंत्र रूप से सत्यापित कर सकता है कि रिएक्टर चालू है या बंद, और क्या ईंधन को स्थानांतरित किया गया है — बिना साइट पर निरीक्षक की पहुंच की आवश्यकता के ।

बंद होने के बाद निरंतर जानकारी। यह मापन साबित करता है कि रिएक्टर बंद होने के बाद भी एंटीन्यूट्रिनो डिटेक्टर एक सुविधा की निगरानी जारी रख सकते हैं। यह वर्तमान सुरक्षा उपायों में एक महत्वपूर्ण अंतर को संबोधित करता है: बंद होने की अवधि ठीक वही समय है जब ईंधन का पता लगाए बिना डायवर्जन (diversion) किया जा सकता है ।

ईंधन डायवर्जन का पता लगाना। क्योंकि संकेत रिएक्टर कोर और खर्च किए गए ईंधन पूल दोनों से आता है, एंटीन्यूट्रिनो दर में अप्रत्याशित गिरावट खर्च किए गए ईंधन असेंबलियों के अनधिकृत निष्कासन का संकेत दे सकती है । डबल चूज़ डेटा एक मान्य प्रयोगात्मक आधार रेखा प्रदान करता है जो भविष्य के परमाणु सुविधाओं के लिए व्यावहारिक निगरानी प्रणाली डिजाइन करना संभव बनाता है ।

आगे का रास्ता

डबल चूज़ मापन ने पहले से सैद्धांतिक क्षमता को प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित क्षमता में बदल दिया है। खर्च किए गए ईंधन से अवशिष्ट एंटीन्यूट्रिनो संकेत कमजोर है — संचालित रिएक्टर की तुलना में परिमाण के कई क्रम कम — लेकिन अब यह ज्ञात है कि यह मापने योग्य है और मौजूदा परमाणु डेटा के अनुसार व्यवहार करता है।

सुरक्षा एजेंसियों के लिए, यह एक वास्तविक दुनिया का संदर्भ बिंदु प्रदान करता है। भविष्य की निगरानी प्रणाली इस विश्वास के साथ डिजाइन की जा सकती है कि भौतिकी समझ में आ गई है और रिएक्टरों के शांत होने पर भी, खर्च किए गए ईंधन से संकेत को परमाणु सामग्री की उपस्थिति के एक सतत, छेड़छाड़-रोधी संकेतक के रूप में भरोसा किया जा सकता है।