Fantasma atômico: pela primeira vez, cientistas medem antineutrinos do combustível nuclear usado

Os antineutrinos se originam do decaimento beta de produtos de fissão de vida curta que continuam a decair dentro dos elementos combustíveis usados, tanto nos núcleos dos reatores desligados quanto nas piscinas adjacentes de resfriamento de combustível .

Como o experimento foi conduzido

O detector Double Chooz está localizado no subsolo, a uma distância de aproximadamente 400 metros dos dois núcleos do reator em Chooz B . O detector consiste em mais de 30 metros cúbicos de cintilador líquido dopado com gadolínio, cercado por tubos fotomultiplicadores .

A detecção se baseia na reação de decaimento beta inverso (IBD) — $\bar{\nu}_e + p \rightarrow e^+ + n$ — que produz um sinal de coincidência característico: um lampejo imediato da aniquilação do pósitron, seguido, cerca de 30 microssegundos depois, por um sinal da captura de nêutrons pelo gadolínio . Essa assinatura dupla permite que os pesquisadores identifiquem eventos de antineutrinos e rejeitem ruídos de fundo.

Após o desligamento dos reatores de Chooz B, a equipe do Double Chooz continuou a coleta de dados com o detector distante, medindo o fluxo residual tanto dos núcleos dos reatores desligados quanto das piscinas de combustível adjacentes . Durante um período de 17,2 dias em 2017, o detector próximo — localizado a 400 metros dos núcleos — registrou 106 ± 18 eventos candidatos a antineutrinos, com uma significância estatística de 5,9σ . O detector distante, a 1.050 metros, registrou 27 ± 14 eventos candidatos .

Confirmação dos modelos teóricos

O fluxo de antineutrinos medido concordou com as previsões de cálculos de soma baseados em bancos de dados nucleares de decaimento beta de produtos de fissão . Essa concordância confirma que a emissão residual de antineutrinos do combustível usado é quantitativamente descrita pelas cadeias de decaimento conhecidas de produtos de fissão de vida curta e que o sinal persiste em níveis detectáveis por dias a semanas após o desligamento do reator .

Importante: a medição demonstra que o grande progresso feito nos últimos 20 anos, tanto na tecnologia de detecção quanto na previsão teórica, atingiu um ponto em que mesmo esse sinal fraco pode ser extraído e comparado a modelos com precisão significativa .

Implicações para a não proliferação e salvaguardas nucleares

O resultado do Double Chooz tem utilidade direta para as salvaguardas nucleares internacionais, particularmente para a Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA), que já explorou o uso de detectores de antineutrinos para monitoramento .

Monitoramento remoto e inviolável. Antineutrinos são praticamente impossíveis de blindar ou falsificar. Um detector colocado do lado de fora das paredes de contenção pode verificar de forma independente se um reator está operando ou desligado, e se o combustível foi movido — sem exigir acesso de inspetores ao local .

Continuidade do conhecimento após o desligamento. Esta medição prova que os detectores de antineutrinos podem continuar monitorando uma instalação mesmo depois que um reator é desligado. Isso preenche uma lacuna crítica nas salvaguardas atuais: os períodos de desligamento são exatamente quando o combustível poderia ser desviado sem ser detectado .

Detecção de desvio de combustível. Como o sinal vem tanto do núcleo do reator quanto da piscina de combustível usado, uma queda inesperada na taxa de antineutrinos pode indicar a remoção não autorizada de conjuntos de combustível . Os dados do Double Chooz fornecem uma linha de base experimental validada que torna possível projetar sistemas de monitoramento práticos para futuras instalações nucleares .

O que isso significa para o futuro

A medição do Double Chooz transforma uma capacidade anteriormente teórica em uma capacidade experimentalmente demonstrada. O sinal residual de antineutrinos do combustível usado é fraco — ordens de magnitude menor do que o de um reator em operação — mas agora se sabe que é mensurável e que se comporta conforme previsto pelos dados nucleares existentes.

Para as agências de salvaguardas, isso fornece um ponto de referência do mundo real. Futuros sistemas de monitoramento podem ser projetados com a confiança de que a física é compreendida e de que o sinal do combustível usado pode ser usado como um indicador contínuo e inviolável da presença de material nuclear, mesmo quando os reatores estiverem silenciosos.