Вперше виміряно антинейтрино від відпрацьованого ядерного палива: прорив експерименту Double Chooz

Колаборація виявила залишкові електронні антинейтрино ($\bar{\nu}_e$), випромінювані відпрацьованим ядерним паливом після зупинки реакторів АЕС Chooz B в Арденнах, Франція . Це перший випадок, коли випромінювання антинейтрино від відпрацьованого палива — на відміну від працюючої активної зони реактора — було кількісно виміряно .

Антинейтрино утворюються внаслідок бета-розпаду короткоживучих продуктів поділу, які продовжують розпадатися всередині паливних збірок, як у зупинених реакторах, так і в сусідніх басейнах витримки відпрацьованого палива .

Як проводився експеримент

Детектор Double Chooz розташований під землею на відстані близько 400 метрів від двох реакторних блоків Chooz B . Детектор містить понад 30 кубічних метрів рідкого сцинтилятора з домішками гадолінію, оточеного фотоелектронними помножувачами .

Виявлення базується на реакції зворотного бета-розпаду (IBD) — $\bar{\nu}_e + p \rightarrow e^+ + n$ — яка створює характерний збіговий сигнал: миттєвий спалах від анігіляції позитрона, за яким приблизно через 30 мікросекунд слідує сигнал від захоплення нейтрона гадолінієм . Ця подвійна сигнатура дозволяє дослідникам ідентифікувати події антинейтрино та відсіювати фон.

Після зупинки реакторів Chooz B команда Double Chooz продовжила збір даних за допомогою далекого детектора, вимірюючи залишковий потік як від зупинених активних зон, так і від сусідніх басейнів витримки . Протягом 17,2 днів у 2017 році ближній детектор, розташований за 400 метрів від активних зон, зареєстрував 106 ± 18 кандидатів у події антинейтрино зі статистичною значущістю 5,9σ . Далекий детектор, на відстані 1050 метрів, зареєстрував 27 ± 14 кандидатів у події .

Підтвердження теоретичних моделей

Виміряний потік антинейтрино збігся з прогнозами сумаційних розрахунків, заснованих на ядерних базах даних бета-розпаду продуктів поділу . Це підтверджує, що залишкове випромінювання антинейтрино від відпрацьованого палива кількісно описується відомими ланцюжками розпаду короткоживучих продуктів поділу, і що сигнал залишається на детектованому рівні протягом днів або тижнів після зупинки реактора .

Важливо, що це вимірювання демонструє: значний прогрес, досягнутий за останні 20 років як у технології детектування, так і в теоретичних передбаченнях, досяг рівня, коли навіть цей слабкий сигнал можна виділити та порівняти з моделями зі значущою точністю .

Наслідки для нерозповсюдження та ядерних гарантій

Результат Double Chooz має пряме застосування для міжнародних ядерних гарантій, зокрема для Міжнародного агентства з атомної енергії (МАГАТЕ), яке вже вивчало можливість використання детекторів антинейтрино для моніторингу .

Віддалений, стійкий до втручання моніторинг. Антинейтрино майже неможливо екранувати або підробити. Детектор, розміщений ззовні захисної оболонки, може незалежно підтвердити, чи працює реактор, чи зупинений, а також чи переміщувалося паливо — без необхідності доступу інспектора на об'єкт .

Безперервність знань після зупинки. Це вимірювання доводить, що детектори антинейтрино можуть продовжувати моніторинг об'єкта навіть після вимкнення реактора. Це усуває критичну прогалину в поточних гарантіях: періоди зупинки є саме тим часом, коли паливо потенційно може бути відведене без виявлення .

Виявлення відведення палива. Оскільки сигнал надходить як від активної зони реактора, так і від басейну витримки, несподіване падіння рівня антинейтрино може свідчити про несанкціоноване видалення паливних збірок . Дані Double Chooz надають валідований експериментальний базовий рівень, який дозволяє розробляти практичні системи моніторингу для майбутніх ядерних об'єктів .

Що це означає на майбутнє

Вимірювання Double Chooz перетворює раніше теоретичну можливість на експериментально доведену. Залишковий сигнал антинейтрино від відпрацьованого палива слабкий — на кілька порядків нижчий, ніж від працюючого реактора — але тепер відомо, що він вимірюваний та поводиться відповідно до існуючих ядерних даних.

Для агентств з ядерних гарантій це надає реальну референтну точку. Майбутні системи моніторингу можна буде розробляти з упевненістю, що фізика зрозуміла, і що сигнал від відпрацьованого палива може слугувати надійним, стійким до втручання індикатором наявності ядерного матеріалу, навіть коли реактори мовчать.