Prima misura assoluta: gli antineutrini del combustibile esaurito diventano uno strumento di controllo

Cosa ha rivelato la collaborazione

La collaborazione ha rilevato gli antineutrini elettronici residui ($\bar{\nu}_e$) emessi dal combustibile nucleare esaurito dopo lo spegnimento dei reattori della centrale nucleare Chooz B, situata nelle Ardenne, in Francia . È la prima volta che le emissioni di antineutrini dal combustibile esaurito – distinte da quelle del nocciolo di un reattore in funzione – vengono misurate in modo quantitativo .

Questi antineutrini hanno origine dal decadimento beta dei prodotti di fissione a vita breve che continuano a decadere all'interno degli elementi di combustibile esaurito, sia nei noccioli dei reattori spenti sia nelle vicine piscine di raffreddamento dove viene stoccato il combustibile .

Come è stato condotto l'esperimento

Il rivelatore Double Chooz è situato in un laboratorio sotterraneo a circa 400 metri di distanza dai due noccioli del reattore di Chooz B . Il cuore del rivelatore è costituito da oltre 30 metri cubi di scintillatore liquido caricato con gadolinio, circondato da tubi fotomoltiplicatori .

La tecnica di rivelazione si basa sulla reazione di decadimento beta inverso (IBD) – $\bar{\nu}_e + p \rightarrow e^+ + n$ – che produce un segnale di coincidenza caratteristico: un lampo immediato generato dall'annichilazione del positrone, seguito, circa 30 microsecondi dopo, da un segnale dovuto alla cattura del neutrone da parte del gadolinio . Questa doppia firma permette ai ricercatori di identificare gli eventi di antineutrino e di scartare il rumore di fondo.

Dopo lo spegnimento dei reattori di Chooz B, il team di Double Chooz ha continuato la raccolta dati con il rivelatore lontano, misurando il flusso residuo proveniente sia dai noccioli spenti sia dalle piscine di raffreddamento adiacenti . In un periodo di 17,2 giorni nel 2017, il rivelatore vicino – situato a 400 metri dai noccioli – ha registrato 106 ± 18 eventi candidati antineutrino con una significatività statistica di 5,9σ . Il rivelatore lontano, a 1.050 metri di distanza, ha registrato 27 ± 14 eventi candidati .

Conferma dei modelli teorici

Il flusso di antineutrini misurato è risultato in accordo con le previsioni ottenute da calcoli di somma basati sui database nucleari del decadimento beta dei prodotti di fissione . Questo accordo conferma che l'emissione residua di antineutrini dal combustibile esaurito è quantitativamente descritta dalle note catene di decadimento dei prodotti di fissione a vita breve e che il segnale persiste a livelli rilevabili per giorni o settimane dopo lo spegnimento del reattore .

È importante sottolineare che questa misura dimostra come i grandi progressi compiuti negli ultimi 20 anni, sia nella tecnologia di rivelazione che nella previsione teorica, abbiano raggiunto un punto in cui anche questo debole segnale può essere estratto e confrontato con i modelli con una precisione significativa .

Implicazioni per la non proliferazione e le salvaguardie nucleari

Il risultato di Double Chooz ha un'utilità diretta per le salvaguardie nucleari internazionali, in particolare per l'Agenzia Internazionale per l'Energia Atomica (AIEA), che già da tempo esplora l'uso di rivelatori di antineutrini per il monitoraggio .

Monitoraggio remoto e a prova di manomissione. Gli antineutrini sono quasi impossibili da schermare o contraffare. Un rivelatore posto all'esterno delle pareti di contenimento può verificare in modo indipendente se un reattore è in funzione o spento e se il combustibile è stato spostato, senza richiedere l'ispezione diretta in loco .

Continuità della conoscenza dopo lo spegnimento. Questa misura dimostra che i rivelatori di antineutrini possono continuare a monitorare un impianto anche dopo che un reattore è stato spento. Questo colma una lacuna critica negli attuali sistemi di salvaguardia: i periodi di spegnimento sono proprio quelli in cui il combustibile potrebbe essere diverso senza essere scoperto .

Rilevamento della diversione di combustibile. Poiché il segnale proviene sia dal nocciolo del reattore che dalla piscina di combustibile esaurito, un calo inaspettato del tasso di antineutrini potrebbe indicare la rimozione non autorizzata di elementi di combustibile . I dati di Double Chooz forniscono una base di riferimento sperimentale convalidata che rende possibile progettare sistemi di monitoraggio pratici per i futuri impianti nucleari .

Cosa significa per il futuro

La misura di Double Chooz trasforma una capacità precedentemente solo teorica in una possibilità dimostrata sperimentalmente. Il segnale residuo di antineutrini dal combustibile esaurito è debole – diversi ordini di grandezza inferiore a quello di un reattore in funzione – ma ora si sa che è misurabile e che si comporta come previsto dai dati nucleari esistenti.

Per le agenzie di salvaguardia, questo rappresenta un punto di riferimento reale. I futuri sistemi di monitoraggio potranno essere progettati con la certezza che la fisica è compresa e che il segnale del combustibile esaurito può essere considerato un indicatore affidabile, continuo e a prova di manomissione della presenza di materiale nucleare, anche quando i reattori sono silenziosi.