Double Chooz วัด ‘แอนตินิวตริโน’ จากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วได้เป็นครั้งแรก

แอนตินิวตริโนเหล่านี้มีต้นกำเนิดจากการสลายตัวแบบบีตาของผลิตภัณฑ์ฟิชชันอายุสั้นที่ยังคงสลายตัวภายในแท่งเชื้อเพลิงใช้แล้ว ทั้งในแกนเครื่องปฏิกรณ์ที่หยุดทำงานและในสระหล่อเย็นเชื้อเพลิงใช้แล้วที่อยู่ติดกัน

การทดลองดำเนินการอย่างไร

เครื่องตรวจจับ Double Chooz ตั้งอยู่ใต้ดินห่างจากแกนเครื่องปฏิกรณ์ทั้งสองของ Chooz B ประมาณ 400 เมตร เครื่องตรวจจับประกอบด้วยของเหลวประกายแสง (liquid scintillator) ที่ผสมแกโดลิเนียมมากกว่า 30 ลูกบาศก์เมตร ล้อมรอบด้วยหลอดโฟโตมัลติพลายเออร์

การตรวจจับอาศัยปฏิกิริยาอินเวิร์สบีตาดีเคย์ (IBD) — $\bar{\nu}_e + p \rightarrow e^+ + n$ — ซึ่งสร้างสัญญาณสหสัมพันธ์ที่มีลักษณะเฉพาะ คือ แสงวาบทันทีจากการทำลายล้างของโพซิตรอน ตามด้วยสัญญาณประมาณ 30 ไมโครวินาทีต่อมาจากการจับนิวตรอนของแกโดลิเนียม ลายเซ็นสองชั้นนี้ช่วยให้นักวิจัยระบุเหตุการณ์แอนตินิวตริโนและกำจัดพื้นหลังได้

หลังจากเครื่องปฏิกรณ์ Chooz B หยุดทำงาน ทีม Double Chooz ยังคงเก็บข้อมูลด้วยเครื่องตรวจจับไกล วัดฟลักซ์ที่หลงเหลือจากทั้งแกนเครื่องปฏิกรณ์ที่หยุดทำงานและสระหล่อเย็นเชื้อเพลิงใช้แล้วที่อยู่ติดกัน ในช่วงเวลา 17.2 วันในปี 2017 เครื่องตรวจจับใกล้ — ซึ่งอยู่ห่างจากแกนเครื่องปฏิกรณ์ 400 เมตร — บันทึกเหตุการณ์ผู้สมัครแอนตินิวตริโน 106 ± 18 เหตุการณ์ ที่ระดับนัยสำคัญทางสถิติ 5.9σ เครื่องตรวจจับไกลที่ระยะ 1,050 เมตร บันทึกเหตุการณ์ผู้สมัคร 27 ± 14 เหตุการณ์

การยืนยันแบบจำลองทางทฤษฎี

ฟลักซ์แอนตินิวตริโนที่วัดได้สอดคล้องกับการทำนายจากผลการคำนวณแบบ summation ซึ่งอาศัยฐานข้อมูลนิวเคลียร์ของการสลายตัวแบบบีตาของผลิตภัณฑ์ฟิชชัน ความสอดคล้องนี้ยืนยันว่าการปล่อยแอนตินิวตริโนที่หลงเหลือจากเชื้อเพลิงใช้แล้วนั้นอธิบายได้ในเชิงปริมาณด้วยห่วงโซ่การสลายตัวที่รู้จักของผลิตภัณฑ์ฟิชชันอายุสั้น และสัญญาณนี้ยังคงอยู่ในระดับที่ตรวจจับได้นานเป็นวันถึงสัปดาห์หลังจากเครื่องปฏิกรณ์หยุดทำงาน

ที่สำคัญ การวัดนี้แสดงให้เห็นว่าความก้าวหน้าครั้งใหญ่ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา ทั้งในเทคโนโลยีการตรวจจับและการทำนายทางทฤษฎี ได้มาถึงจุดที่สามารถดึงสัญญาณที่อ่อนนี้มาและเปรียบเทียบกับแบบจำลองด้วยความแม่นยำที่มีความหมาย

นัยสำคัญต่อการไม่แพร่ขยายอาวุธนิวเคลียร์และการตรวจสอบความปลอดภัย

ผลลัพธ์ของ Double Chooz มีประโยชน์โดยตรงต่อการตรวจสอบความปลอดภัยนิวเคลียร์ระหว่างประเทศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับทบวงการพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ (IAEA) ซึ่งได้สำรวจการใช้เครื่องตรวจจับแอนตินิวตริโนเพื่อการตรวจสอบแล้ว

การตรวจสอบระยะไกลที่ทนทานต่อการปลอมแปลง แอนตินิวตริโนแทบเป็นไปไม่ได้ที่จะป้องกันหรือปลอมแปลง เครื่องตรวจจับที่วางไว้นอกผนังคอนเทนเมนต์สามารถตรวจสอบได้อย่างอิสระว่าเครื่องปฏิกรณ์กำลังทำงานหรือหยุดทำงาน และเชื้อเพลิงถูกเคลื่อนย้ายหรือไม่ โดยไม่ต้องให้ผู้ตรวจสอบเข้าไปในพื้นที่

ความต่อเนื่องของความรู้หลังหยุดทำงาน การวัดนี้พิสูจน์ว่าเครื่องตรวจจับแอนตินิวตริโนสามารถตรวจสอบโรงงานต่อไปได้แม้หลังจากเครื่องปฏิกรณ์ดับแล้ว ซึ่งปิดช่องโหว่สำคัญในระบบป้องกันในปัจจุบัน นั่นคือ ช่วงเวลาที่เครื่องปฏิกรณ์หยุดทำงานเป็นช่วงที่เชื้อเพลิงอาจถูกเบี่ยงเบนไปโดยไม่ถูกตรวจพบ

การตรวจจับการเบี่ยงเบนเชื้อเพลิง เนื่องจากสัญญาณมาจากทั้งแกนเครื่องปฏิกรณ์และสระเชื้อเพลิงใช้แล้ว อัตราแอนตินิวตริโนที่ลดลงอย่างไม่คาดคิดอาจบ่งชี้ถึงการนำแท่งเชื้อเพลิงใช้ออกไปโดยไม่ได้รับอนุญาต ข้อมูลของ Double Chooz เป็นเกณฑ์มาตรฐานเชิงทดลองที่ได้รับการตรวจสอบ ทำให้สามารถออกแบบระบบตรวจสอบที่ใช้งานได้จริงสำหรับโรงงานนิวเคลียร์ในอนาคต

ความหมายในอนาคต

การวัดของ Double Chooz เปลี่ยนความสามารถทางทฤษฎีที่เคยมีให้เป็นสิ่งที่พิสูจน์แล้วจากการทดลอง สัญญาณแอนตินิวตริโนที่หลงเหลือจากเชื้อเพลิงใช้แล้วนั้นอ่อน — มีขนาดต่ำกว่าจากเครื่องปฏิกรณ์ที่กำลังทำงานหลายระดับ — แต่ตอนนี้เป็นที่รู้กันว่าสามารถวัดได้และมีพฤติกรรมตามที่ข้อมูลนิวเคลียร์ที่มีอยู่ทำนายไว้

สำหรับหน่วยงานด้านการตรวจสอบ นี่คือจุดอ้างอิงในโลกแห่งความเป็นจริง ระบบตรวจสอบในอนาคตสามารถออกแบบได้ด้วยความมั่นใจว่าเข้าใจฟิสิกส์แล้ว และสามารถพึ่งพาสัญญาณจากเชื้อเพลิงใช้แล้วในฐานะตัวบ่งชี้การมีอยู่ของวัสดุนิวเคลียร์ที่ต่อเนื่องและทนทานต่อการปลอมแปลง แม้ในเวลาที่เครื่องปฏิกรณ์เงียบสนิท