Pierwszy w historii pomiar antyneutrin z wypalonego paliwa jądrowego

Antyneutrina powstają w wyniku rozpadu beta krótkożyciowych produktów rozszczepienia, które nadal ulegają rozpadowi wewnątrz prętów wypalonego paliwa, zarówno w wyłączonych rdzeniach reaktorów, jak i w sąsiednich basenach chłodzenia wypalonego paliwa .

Przebieg eksperymentu

Detektor Double Chooz znajduje się pod ziemią, w odległości około 400 metrów od dwóch rdzeni reaktorów w Chooz B . Składa się z ponad 30 metrów sześciennych ciekłego scyntylatora domieszkowanego gadolinem, otoczonego fotopowielaczami .

Detekcja opiera się na reakcji odwrotnego rozpadu beta (IBD) – $\bar{\nu}_e + p \rightarrow e^+ + n$ – która generuje charakterystyczny sygnał koincydencyjny: natychmiastowy błysk po anihilacji pozytonu, a następnie, po około 30 mikrosekundach, sygnał z wychwytu neutronu przez gadolin . Ta dwuczęściowa sygnatura pozwala naukowcom identyfikować zdarzenia antyneutrinowe i odrzucać tło.

Po wyłączeniu reaktorów Chooz B, zespół Double Chooz kontynuował zbieranie danych za pomocą odległego detektora, mierząc resztkowy strumień zarówno z wyłączonych rdzeni, jak i z basenów wypalonego paliwa . W ciągu 17,2-dniowego okresu w 2017 roku bliski detektor, znajdujący się 400 metrów od rdzeni, zarejestrował 106 ± 18 zdarzeń kandydujących na antyneutrina z istotnością statystyczną 5,9σ . Odległy detektor, zlokalizowany 1050 metrów od rdzeni, zarejestrował 27 ± 14 zdarzeń kandydujących .

Potwierdzenie modeli teoretycznych

Zmierzone natężenie strumienia antyneutrin było zgodne z przewidywaniami z obliczeń sumacyjnych, opartych na jądrowych bazach danych rozpadu beta produktów rozszczepienia . Ta zgodność potwierdza, że resztkową emisję antyneutrin z wypalonego paliwa można ilościowo opisać znanymi łańcuchami rozpadu krótkożyciowych produktów rozszczepienia, a sygnał ten pozostaje na wykrywalnym poziomie od kilku dni do kilku tygodni po wyłączeniu reaktora .

Co istotne, pomiar ten pokazuje, że ogromny postęp dokonany w ciągu ostatnich 20 lat zarówno w technologii detekcji, jak i w przewidywaniach teoretycznych, osiągnął poziom, na którym nawet ten słaby sygnał może być wydobyty i porównywany z modelami z satysfakcjonującą precyzją .

Implikacje dla nieproliferacji i zabezpieczeń jądrowych

Wynik Double Chooz ma bezpośrednie zastosowanie w międzynarodowych zabezpieczeniach jądrowych, szczególnie dla Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej (MAEA), która już wcześniej badała możliwość wykorzystania detektorów antyneutrinowych do monitorowania .

Zdalne monitorowanie odporne na manipulacje. Antyneutrina są praktycznie niemożliwe do osłonięcia lub sfałszowania. Detektor umieszczony poza ścianami osłony reaktora może niezależnie potwierdzać, czy reaktor jest włączony czy wyłączony, a także czy paliwo zostało przeniesione – bez konieczności bezpośredniego dostępu inspektorów .

Ciągłość wiedzy po wyłączeniu. Ten pomiar dowodzi, że detektory antyneutrinowe mogą nadal monitorować obiekt jądrowy nawet po wyłączeniu reaktora. Zamyka to krytyczną lukę w obecnych systemach zabezpieczeń: okresy wyłączenia są właśnie wtedy, gdy paliwo mogłoby zostać przejęte bez wykrycia .

Wykrywanie przejęcia paliwa. Ponieważ sygnał pochodzi zarówno z rdzenia reaktora, jak i z basenu wypalonego paliwa, nieoczekiwany spadek liczby antyneutrinowych zdarzeń może wskazywać na nieautoryzowane usunięcie prętów wypalonego paliwa . Dane Double Chooz dostarczają potwierdzonej eksperymentalnie podstawy, która umożliwia projektowanie praktycznych systemów monitorowania dla przyszłych obiektów jądrowych .

Co to oznacza na przyszłość

Pomiar Double Chooz zamienia wcześniej teoretyczną możliwość w eksperymentalnie udowodnioną rzeczywistość. Resztkowy sygnał antyneutrinowy z wypalonego paliwa jest słaby – o rzędy wielkości niższy niż z pracującego reaktora – ale wiadomo już, że jest mierzalny i zachowuje się zgodnie z istniejącymi danymi jądrowymi.

Dla instytucji nadzoru jądrowego jest to rzeczywisty punkt odniesienia. Przyszłe systemy monitorowania mogą być projektowane z pewnością, że fizyka tego zjawiska jest zrozumiała, a sygnał z wypalonego paliwa może być wykorzystywany jako ciągły, odporny na manipulacje wskaźnik obecności materiałów jądrowych, nawet gdy reaktory milczą.