Lần đầu tiên đo được hạt ma từ nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng: Thí nghiệm Double Chooz mở ra hướng giám sát hạt nhân mới

Hợp tác nghiên cứu đã phát hiện ra các phản neutrino electron ($\bar{\nu}_e$) còn sót lại phát ra từ nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng sau khi các lò phản ứng của nhà máy điện hạt nhân Chooz B ở vùng Ardennes, Pháp, ngừng hoạt động . Đây là lần đầu tiên phát xạ phản neutrino từ nhiên liệu đã qua sử dụng — khác biệt với lõi lò phản ứng đang hoạt động — được đo một cách định lượng .

Các phản neutrino này bắt nguồn từ sự phân rã beta của các sản phẩm phân hạch có chu kỳ bán rã ngắn, tiếp tục phân rã bên trong các bó nhiên liệu đã qua sử dụng, cả trong lõi lò phản ứng đã tắt và trong các bể làm mát nhiên liệu đã qua sử dụng liền kề .

Thí nghiệm đã được tiến hành như thế nào?

Máy dò Double Chooz được đặt dưới lòng đất, cách hai lõi lò phản ứng tại Chooz B khoảng 400 mét . Máy dò bao gồm hơn 30 mét khối chất lỏng nhấp nháy (liquid scintillator) có pha gadolini, được bao quanh bởi các ống nhân quang điện (photomultiplier tubes) .

Việc phát hiện dựa trên phản ứng phân rã beta ngược (IBD) — $\bar{\nu}_e + p \rightarrow e^+ + n$ — tạo ra một tín hiệu trùng hợp đặc trưng: một tia sáng tức thời từ sự hủy cặp của positron, tiếp theo khoảng 30 micro giây sau là tín hiệu từ neutron bị bắt giữ bởi gadolini . Tín hiệu kép này cho phép các nhà nghiên cứu xác định các sự kiện phản neutrino và loại bỏ các tín hiệu nền.

Sau khi các lò phản ứng Chooz B ngừng hoạt động, nhóm Double Chooz tiếp tục thu thập dữ liệu với máy dò xa, đo dòng phản xạ còn sót lại từ cả lõi lò phản ứng đã tắt và các bể làm mát nhiên liệu đã qua sử dụng liền kề . Trong khoảng thời gian 17,2 ngày vào năm 2017, máy dò gần — đặt cách các lõi lò 400 mét — đã ghi nhận 106 ± 18 sự kiện ứng viên phản neutrino với độ tin cậy thống kê 5,9σ . Máy dò xa, ở khoảng cách 1.050 mét, ghi nhận 27 ± 14 sự kiện ứng viên .

Xác nhận các mô hình lý thuyết

Dòng phản neutrino đo được phù hợp với các dự đoán từ các phép tính tổng dựa trên cơ sở dữ liệu hạt nhân về sự phân rã beta của các sản phẩm phân hạch . Sự phù hợp này xác nhận rằng phát xạ phản neutrino còn sót lại từ nhiên liệu đã qua sử dụng được mô tả định lượng bằng các chuỗi phân rã đã biết của các sản phẩm phân hạch có chu kỳ bán rã ngắn và tín hiệu vẫn tồn tại ở mức có thể phát hiện được trong nhiều ngày đến nhiều tuần sau khi lò phản ứng ngừng hoạt động .

Điều quan trọng là, phép đo này chứng minh rằng những tiến bộ lớn trong 20 năm qua về cả công nghệ phát hiện và dự đoán lý thuyết đã đạt đến mức có thể khai thác và so sánh ngay cả tín hiệu yếu này với các mô hình một cách có độ chính xác đáng kể .

Ý nghĩa đối với vấn đề chống phổ biến vũ khí hạt nhân và giám sát an toàn hạt nhân

Kết quả của Double Chooz có tính ứng dụng trực tiếp cho các cơ quan giám sát hạt nhân quốc tế, đặc biệt là Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA), vốn đã tìm hiểu việc sử dụng máy dò phản neutrino để giám sát .

Giám sát từ xa, chống can thiệp. Phản neutrino gần như không thể che chắn hoặc làm giả. Một máy dò đặt bên ngoài tường ngăn có thể xác minh độc lập liệu một lò phản ứng đang hoạt động hay đã tắt, và liệu nhiên liệu có bị di chuyển hay không — mà không cần sự tiếp cận trực tiếp của thanh sát viên .

Duy trì liên tục kiến thức sau khi tắt máy. Phép đo này chứng minh rằng máy dò phản neutrino có thể tiếp tục giám sát một cơ sở ngay cả sau khi lò phản ứng đã được tắt. Điều này giải quyết một lỗ hổng quan trọng trong các biện pháp giám sát hiện tại: các giai đoạn ngừng hoạt động chính là lúc nhiên liệu có thể bị chuyển hướng mà không bị phát hiện .

Phát hiện sự chuyển hướng nhiên liệu. Vì tín hiệu đến từ cả lõi lò phản ứng và bể chứa nhiên liệu đã qua sử dụng, sự sụt giảm bất thường của tỷ lệ phản neutrino có thể chỉ ra việc lấy đi trái phép các bó nhiên liệu đã qua sử dụng . Dữ liệu từ Double Chooz cung cấp một cơ sở thực nghiệm đã được kiểm chứng, giúp thiết kế các hệ thống giám sát thực tế cho các cơ sở hạt nhân trong tương lai .

Ý nghĩa trong tương lai

Phép đo của Double Chooz đã biến một khả năng trước đây chỉ là lý thuyết thành một khả năng đã được chứng minh bằng thực nghiệm. Tín hiệu phản neutrino còn sót lại từ nhiên liệu đã qua sử dụng là yếu — thấp hơn nhiều bậc so với từ một lò phản ứng đang hoạt động — nhưng giờ đây người ta đã biết nó có thể đo được và hoạt động theo đúng như dự đoán của các dữ liệu hạt nhân hiện có.

Đối với các cơ quan giám sát, đây là một điểm tham chiếu thực tế. Các hệ thống giám sát trong tương lai có thể được thiết kế với sự tự tin rằng vật lý đã được hiểu rõ và tín hiệu từ nhiên liệu đã qua sử dụng có thể được dựa vào như một chỉ báo liên tục, chống can thiệp về sự hiện diện của vật liệu hạt nhân, ngay cả khi các lò phản ứng im lặng.