Ученые впервые зафиксировали нейтринное эхо остановленного реактора: поймано 106 антинейтрино за 17 дней

Ученые из коллаборации Double Chooz опубликовали на страницах Physical Review Letters результаты дебютного измерения остаточной эмиссии электронных антинейтрино от недействующих реакторов. Специалисты задействовали детектор, установленный в 400 метрах от двух энергоблоков французской АЭС «Шо» (Centrale nucléaire de Chooz), и тщательно изучили 17,2 суток полезного времени, собранного на протяжении четырех периодов 2017 года, когда оба реактора находились в состоянии одновременного останова.

В диапазоне энергий от 1 до 3 МэВ, где прогнозировался пик остаточного излучения, приборы зафиксировали 106 ± 18 актов взаимодействия антинейтрино при расчетном показателе 88 ± 7, что соответствует достоверности в 5,9 стандартного отклонения. На уровнях свыше 3 МэВ полезный сигнал отсутствовал, что полностью согласуется с теоретическими моделями распада стабильных продуктов деления.

Подобный фоновый поток рождается не в ходе цепной реакции, а вследствие бета-распада радиоактивных изотопов, накопившихся в топливных сборках за время их эксплуатации: церия-144 и празеодима-144 (период полураспада 285 суток), рутения-106 и родия-106 (372 суток), а также стронция-90 и иттрия-90 (28,9 лет). Данные нуклиды продолжают испускать антинейтрино спустя долгое время после отключения реактора, причем интенсивность излучения от активной зоны стремительно падает в первые же часы, тогда как вклад от отработавшего топлива в бассейнах выдержки остается практически неизменным на протяжении дней. Математическое моделирование распределило источники следующим образом: 56% приходится на активные зоны и 44% — на бассейны выдержки, что позволило впервые на практике подтвердить гипотезы об остаточной нейтринной радиации.

В основе установки Double Chooz лежит 10,3 кубометра жидкого сцинтиллятора, обогащенного гадолинием. Фиксация антинейтрино осуществляется методом обратного бета-распада: рождение позитрона провоцирует мгновенную вспышку, а последующий захват нейтрона ядрами гадолиния создает отсроченный импульс. Защитный контур из специализированных детекторов элементарных частиц эффективно глушит фоновые помехи от космических мюонов и случайных совпадений. Интегрированный нейросетевой алгоритм дополнительно фильтрует ложные срабатывания.

В итоге уровень фонового излучения в спектральном коридоре 1–3 МэВ составил 86 ± 8 событий, причем большую их часть сформировал коррелированный мюонный фон; после его отсечения исследователи выделили статистически убедительный остаточный сигнал. Удаленный детектор, размещенный на дистанции 1,05 км, также зафиксировал избыток на уровне 27 ± 13 событий при прогнозируемых 14 ± 1, что служит дополнительным подтверждением правильности выводов.

Практическая значимость изыскания выходит далеко за рамки академической науки. МАГАТЭ уже около двадцати лет рассматривает нейтринный контроль в качестве перспективного инструмента верификации: в отличие от традиционных пломб и видеокамер, поток антинейтрино невозможно заэкранировать, а его спектральный профиль напрямую отражает изотопный состав горючего. Теперь специалисты наглядно доказали применимость метода не только для работающих энергоблоков, но и для остановленных объектов, включая бассейны хранения облученных сборных элементов. Хотя чувствительность нынешней аппаратуры пока недостаточна для выявления пропажи отдельных тепловыделяющих сборок, она вполне эффективна для грубой инвентаризации всего объема материалов, что знаменует собой важный шаг к внедрению полноценных систем гарантий безопасности, особенно на компактных сухих складах с малым числом контейнеров.

Авторы акцентируют внимание на том, что прорыв стал возможен благодаря уникальной архитектуре АЭС «Шо», располагающей двумя блоками и продолжительными окнами совместного простоя. Установка аккумулировала достаточный массив данных для выделения слабого излучения, эквивалентного потоку приблизительно в 3,6 × 108 антинейтрино на квадратный сантиметр в секунду вблизи ближнего детектора, что составляет менее 0,5% от штатных показателей на максимальной мощности. Полученные сведения представляют собой первый в истории подтвержденный эталон остаточной нейтринной активности реакторного комплекса и его отработавших материалов. Следующим рубежом станет разработка более компактных и экономичных детекторов для размещения непосредственно вблизи хранилищ: фундаментальная физика доказала, что эта задача перешла из разряда теоретических изысканий в плоскость готовых инженерных решений для нужд атомной безопасности.

Источник: iXBT