Naukowcy opracowali nowy detektor, który analizuje antyneutrina emitowane przez reaktory jądrowe w celu monitorowania ich aktywności z dużych odległości.
Technologia ta, wykorzystująca zjawisko promieniowania Czerenkowa, może zrewolucjonizować sposób zapewniania, że reaktory nie produkują materiału do broni jądrowej, pomimo wyzwań ze strony innych antyneutrin środowiskowych.
Monitorowanie rozszczepienia jądrowego i antymaterii
Reaktory na rozszczepienie jądrowe stanowią główne źródło energii na całym świecie, a według prognoz globalna moc wyjściowa ma się prawie podwoić do 2050 r. Jednak ustalenie, czy reaktor produkuje również materiał do broni jądrowej, pozostaje wyzwaniem. Wychwytywanie i analizowanie cząstek antymaterii, w szczególności antyneutrin, oferuje potencjalne rozwiązanie, umożliwiając naukowcom zdalne monitorowanie aktywności reaktorów z odległości setek mil.
W badaniu opublikowanym w Zaliczki AIPnaukowcy z Uniwersytetu w Sheffield i Uniwersytetu Hawajskiego wprowadzili nowy detektor, który może wykrywać i analizować antyneutrina emitowane przez reaktory jądrowe. Zaprojektowany przez Wilsona i współpracowników detektor ten może oceniać profile energii antyneutrin na odległość, umożliwiając zdalne monitorowanie aktywności reaktora.
„W tym artykule testujemy projekt detektora, który można wykorzystać do pomiaru energii emisji cząstek z reaktorów rozszczepienia jądrowego na duże odległości” – powiedział autor Stephen Wilson. „Ta informacja może nam powiedzieć nie tylko o tym, czy reaktor istnieje i o jego cyklu operacyjnym, ale także o tym, jak daleko znajduje się reaktor”.
Rola neutrin i antyneutrin
Neutrina to bezładne cząstki elementarne o masie bliskiej zeru, a antyneutrina to ich odpowiedniki w antymaterii, powstające najczęściej podczas reakcji jądrowych. Wychwytywanie tych antycząstek i analizowanie ich poziomów energii dostarcza informacji na temat wszystkiego, od cyklu operacyjnego po określone izotopy w wypalonym paliwie.
Konstrukcja detektora grupy wykorzystuje promieniowanie Czerenkowa – zjawisko, w którym promieniowanie jest emitowane, gdy naładowane cząstki poruszają się szybciej niż światło, przechodzą przez określony ośrodek, co przypomina uderzenia dźwiękowe podczas przekraczania bariery dźwięku. Jest to również odpowiedzialne za niesamowitą niebieską poświatę reaktorów jądrowych i zostało wykorzystane do wykrywania neutrin w laboratoriach astrofizycznych.
Wyzwania i przyszłe kierunki detekcji antyneutrin
Naukowcy zaproponowali montaż swojego urządzenia w północno-wschodniej Anglii i wykrywanie antyneutrin z reaktorów w całej Wielkiej Brytanii, a także w północnej Francji.
Problem polega jednak na tym, że antyneutrina z górnych warstw atmosfery i przestrzeni kosmicznej mogą zakłócać sygnał, zwłaszcza że bardzo odległe reaktory wytwarzają znacznie mniejsze sygnały — czasami rzędu jednego antyneutrina dziennie.
Aby to uwzględnić, grupa zaproponowała umieszczenie detektora w kopalni położonej ponad 1 kilometr pod ziemią.
„Rozróżnienie tych cząstek jest również poważnym wyzwaniem analitycznym, a pomiar widma energii może zająć niepraktycznie dużo czasu” – powiedział Wilson. „Pod wieloma względami najbardziej zaskoczyło mnie to, że w rzeczywistości nie jest to niemożliwe”.
Wilson ma nadzieję, że detektor pobudzi więcej dyskusji na temat wykorzystania antyneutrin do monitorowania reaktorów, w tym pomiaru widma antyneutrin wypalonego paliwa jądrowego lub opracowania mniejszych detektorów do stosowania bliżej reaktorów.
Odniesienie: „Zdalny pomiar odległości reaktora poprzez oscylacje antyneutrin” autorstwa ST Wilsona, J. Armitage’a, C. Cotsforda, N. Hollanda, JG Learneda i M. Malka, 1 października 2024 r., Zaliczki AIP.
DOI: 10.1063/5.0220877
