Что происходит в закрытом бассейне выдержки АЭС: физики впервые измерили поток антинейтрино от отработанного топлива

Международная научная группа эксперимента Double Chooz опубликовала данные первого прямого измерения остаточного нейтринного излучения, создаваемого отработанным ядерным топливом. Исследование проводилось на базе атомной электростанции Chooz B во Франции. Ученым удалось экспериментально зафиксировать поток нейтрино, который продолжается после полной остановки реакторов, и сопоставить полученные данные с теоретическими моделями радиоактивного распада.

Этот результат имеет важное значение как для фундаментальной физики частиц, так и для практики международной безопасности. Измерение доказало, что специализированные детекторы способны дистанционно и непрерывно контролировать наличие и состояние ядерных материалов без вмешательства в работу АЭС и без доступа во внутренние помещения станции.

Физика образования нейтрино в ядерном реакторе

Основным топливом для большинства энергетических реакторов служит уран, обогащенный изотопом уран-235. В процессе управляемой ядерной реакции ядро урана-235 захватывает нейтрон и делится на две части. В результате этого деления образуются более легкие химические элементы, так называемые осколки деления, и выделяется энергия.

Образовавшиеся осколки деления перегружены нейтронами и находятся в нестабильном состоянии. Чтобы перейти в стабильное состояние, эти ядра проходят через серию последовательных бета-распадов. При бета-распаде один из нейтронов в ядре превращается в протон, испуская при этом электрон и электронное антинейтрино.

Нейтрино — это элементарная частица, которая не имеет электрического заряда и обладает крайне малой массой. Нейтрино чрезвычайно слабо взаимодействует с веществом. Частицы свободного потока легко проходят через любые защитные сооружения, включая многометровые слои стали, бетона и воды.

Во время работы реактора на полной мощности внутри него каждую секунду происходят триллионы актов деления. В результате работающий реактор является мощным источником нейтрино. Измерив параметры этого потока, можно точно определить тепловую мощность реактора и изотопный состав топлива в данный момент.

Что происходит с топливом после остановки реактора

Для проведения планового обслуживания, ремонта или замены топлива реактор заглушают. Для этого в активную зону вводят регулирующие стержни из материалов, эффективно поглощающих нейтроны (например, бора или кадмия). Цепная реакция деления урана прекращается, и мгновенная эмиссия нейтрино останавливается.

Однако внутри реактора остается отработанное ядерное топливо. В нем накопилось большое количество продуктов деления с разными периодами полураспада — от долей секунды до десятков и сотен лет. Эти изотопы продолжают спонтанно распадаться, выделяя остаточное тепло и испуская ионизирующее излучение.

После извлечения из активной зоны отработавшие топливные сборки не перемещают сразу за пределы станции. Их помещают в прилегающие бассейны выдержки, заполненные водой. Вода служит одновременно защитным экраном от радиации и теплоносителем, отводящим остаточное тепло. В этих бассейнах топливо находится от трех до пяти лет, пока уровень его радиоактивности и тепловыделения не снизится до значений, допускающих транспортировку.

Пока в отработанном топливе продолжаются процессы бета-распада накопившихся изотопов, оно непрерывно испускает поток нейтрино. Этот поток называется остаточным нейтринным излучением.

Задачи ядерного контроля и ограничения существующих методов

Контроль за перемещением и хранением отработанного ядерного топлива — одна из главных обязанностей Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ). Причина повышенного внимания к ОЯТ заключается в том, что в процессе работы реактора из урана-238 образуется изотоп плутоний-239. Плутоний-239 относится к делящимся материалам, которые могут быть выделены путем химической переработки и использованы для немирных целей.

Чтобы исключить несанкционированное извлечение отработанных топливных сборок из бассейнов выдержки, МАГАТЭ применяет комплекс методов:

1. Опломбирование и физическая защита: на контейнеры и крышки бассейнов устанавливают одноразовые печати.
2. Оптическое наблюдение: в помещениях хранилищ монтируют защищенные видеокамеры, ведущие непрерывную запись.
3. Прямые измерения: инспекторы используют погружные датчики гамма-излучения и нейтронного потока для проверки наличия топлива в конкретных ячейках.

Однако существующие методы имеют объективные ограничения. Оптические камеры можно перекрыть или вывести из строя, пломбы требуют физического присутствия инспекторов для проверки, а стандартное гамма- и нейтронное излучение легко ослабляется защитными экранами или глубоким слоем воды.

Нейтринное излучение лишено этих недостатков. Поскольку нейтрино невозможно заблокировать или ослабить физическими барьерами, измерение их потока позволяет непрерывно и дистанционно проверять объемы и изотопный состав топлива.

Почему измерение остаточного потока вызывало сложности

Несмотря на теоретическую понятность процесса, измерить остаточное нейтринное излучение на практике долгое время не удавалось. На это есть три основные причины:

• Малая интенсивность сигнала: остаточный поток составляет менее 1% от потока нейтрино, испускаемого реактором при работе на полной мощности.
• Низкая энергия частиц: большинство остаточных нейтрино имеют энергию менее 3 миллиэлектронвольт (мэВ), что затрудняет их регистрацию на фоне приборных шумов.
• Высокий уровень естественного фона: на поверхности Земли детекторы непрерывно регистрируют космические лучи и естественную радиацию от окружающих горных пород. Эти фоновые процессы вызывают в детекторе вспышки, которые легко перепутать с нейтринными событиями.

Чтобы зарегистрировать такой слабый сигнал, необходимо разместить детектор глубоко под землей для защиты от космического излучения и дождаться редкого момента, когда все реакторы на станции будут одновременно остановлены. В противном случае мощный поток нейтрино от работающего соседнего реактора полностью перекроет слабый остаточный сигнал от заглушенного блока и бассейнов выдержки.

Условия проведения эксперимента Double Chooz

Экспериментальный комплекс Double Chooz был создан для исследования физических свойств нейтрино на АЭС Chooz B в северной Франции. Станция оснащена двумя водо-водяными энергетическими реакторами типа PWR тепловой мощностью 4,25 ГВт каждый.

В состав комплекса входили два идентичных нейтринных детектора:

• Ближний детектор: размещен в подземном бункере на расстоянии 400 метров от реакторов под слоем грунта и породы, эквивалентным 115 метрам воды.
• Дальний детектор: расположен на расстоянии 1,05 километра от реакторов под слоем породы, эквивалентным 300 метрам воды.

В 2017 году на АЭС сложились необходимые условия: оба реактора были одновременно остановлены для планового ремонта и заправки топливом. Этот период общей остановки продолжался 24,4 дня. С учетом времени, необходимого для калибровки и очистки данных от помех, полезное время измерений ближним детектором составило 17,2 суток.

Ближний детектор располагался на небольшом расстоянии не только от реакторных ядер, но и от прилегающих к ним бассейнов выдержки отработанного топлива. Это обеспечило необходимую чувствительность для фиксации слабого излучения.

Устройство детектора и регистрация событий

Детектирование нейтрино в эксперименте Double Chooz основано на реакции обратного бета-распада. Процесс состоит в следующем: прилетающее электронное антинейтрино взаимодействует с протоном (ядром водорода), находящимся в составе жидкого сцинтиллятора. В результате взаимодействия образуются две частицы — позитрон и нейтрон.

Антинейтрино + протон → позитрон + нейтрон

Регистрация происходит в два этапа:

1. Первичный (мгновенный) сигнал: позитрон практически мгновенно теряет энергию в жидкости и аннигилирует с электроном. Это вызывает первую вспышку света. Энергия этой вспышки напрямую пропорциональна энергии прилетевшего нейтрино.
2. Вторичный (задерживающийся) сигнал: нейтрон замедляется в среде и через 30-50 микросекунд захватывается ядром гадолиния — элемента, специально добавленного в сцинтиллятор. Захват нейтрона приводит к выделению энергии и второй вспышке света.

Наличие двух последовательных вспышек со строго определенным временным и пространственным интервалом позволяет отличать нейтринные события от одиночных радиоактивных распадов.

Для защиты от космических мюонов — высокоэнергетических частиц, проникающих сквозь толщу земли, — физики использовали внешние слои детекторов (веторамки) и алгоритмы обработки данных на основе искусственных нейронных сетей. Нейросеть анализировала форму, энергию и задержку сигналов, отсеивая события, вызванные космическими нейтронами или распадом изотопа лития-9. Это снизило уровень фоновых помех более чем в 400 раз.

Результаты измерений и анализ данных

За 17,2 суток наблюдений при выключенных реакторах ближний детектор в диапазоне энергий от 1 до 3 мэВ зарегистрировал 106 +- 18 нейтринных событий (после вычитания оставшегося фона). Статистическая значимость обнаруженного сигнала составила 5,9 стандартных отклонений (5,9 σ). В физике частиц значение выше 5 σ является официальным подтверждением открытия явления.

Экспериментально полученные данные совпали с теоретическим прогнозом: математические модели, описывающие накопление и распад продуктов деления (коды APOLLO и DARWIN), предсказывали получение 88 +- 7 событий за этот же период.

Анализ спектра зарегистрированных нейтрино позволил определить вклад конкретных радиоактивных изотопов:

• Празеодим-144 (144Pr): обеспечил около 54% всего зарегистрированного остаточного сигнала. Изотоп является продуктом распада церия-144, период полураспада которого составляет 285 дней.
• Родий-106 (106Rh): дал около 38% сигнала. Этот изотоп образуется при распаде рутения-106 с периодом полураспада 372 дня.
• Другие изотопы (включая иттрий-90, 90Y): составили оставшуюся часть сигнала. Период полураспада родительского изотопа стронция-90 составляет 28,9 года, что обеспечивает долгосрочную эмиссию нейтрино от топлива высокой степени выдержки.

Моделирование пространственного происхождения нейтрино показало, что 56% зафиксированных частиц было испущено отработанным топливом, остававшимся в активных зонах заглушенных реакторов, а 44% поступило из прилегающих бассейнов выдержки, где хранились сборки от предыдущих эксплуатационных циклов АЭС.

В дальнем детекторе, расположенном в километре от станции, также было зафиксировано превышение сигнала над фоном (27 +- 13 событий при прогнозе 14 +- 1), однако из-за большого расстояния статистическая погрешность там оказалась существенно выше.

Практическое значение для системы нераспространения

Экспериментальное подтверждение возможности измерять остаточный нейтринный поток имеет важное практическое значение для контроля и безопасностью атомной энергетики.

1. Проверка сохранности отработанного топлива: если из бассейна выдержки будет извлечена часть отработанных топливных сборок, суммарная интенсивность нейтринного излучения снизится, а соотношение изотопных вкладов в спектре изменится. Это фиксируется детектором дистанционно.
2. Невозможность фальсификации данных: интенсивность и спектральный состав остаточного нейтринного излучения строго определяются законами ядерной физики: глубиной выгорания топлива, временем, прошедшим с момента остановки реактора, и количеством остаточных изотопов. Эти параметры невозможно изменить искусственно или скрыть за счет экранирования.
3. Непрерывный и неинвазивный контроль: нейтринный детектор устанавливается за пределами защищенной периметральной зоны реакторного здания. Измерения проводятся в непрерывном режиме без вмешательства в технологические процессы станции и без проведения физических проверок внутри помещений АЭС.

Заключение

Эксперимент Double Chooz впервые предоставил прямые количественные доказательства того, что отработанное ядерное топливо создает измеримый поток нейтрино, характеристики которого соответствуют теоретическим расчетам.

Успешная регистрация сигнала с уровнем достоверности 5,9 σ подтвердила корректность существующих математических моделей распада продуктов деления в ядерных реакторах. Это открывает путь к созданию новых стационарных систем нейтринного мониторинга, которые смогут использоваться международными организациями для контроля состояния реакторов и хранилищ отработанного топлива как во время их работы, так и в периоды обслуживания.

Источник: arXiv