Физики впервые измерили жуткое «свечение» остановленных ядерных реакторов

Фото из открытых источников

Исключительно неуловимые нейтрино и их антинейтрино известны как частицы-призраки, поскольку они почти никогда не взаимодействуют с материей из-за отсутствия электрического заряда и практически несуществующей массы. 

Однако эти призрачные фундаментальные частицы могут помочь улучшить ядерную безопасность, предоставляя неинвазивный способ изучения процессов, происходящих внутри ядерных реакторов, включая спектральный поток антинейтрино после отключения электростанции. 

В результате недавнего открытия физики впервые измерили это остаточное излучение, обнаружив тусклое, зловещее свечение электронных антинейтрино, исходящее из темноты спящих ядерных реакторов во Франции. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Исследователи из коллаборации Double Chooz, возглавляемые физиками из Института ядерной физики им. Макса Планка (MPIK), экспериментально подтвердили предсказанный поток, исходящий от сгоревшего топлива внутри двух реакторов, а также от удаленных отходов, помещенных в охлаждающие бассейны. Этот поток был теоретически ограничен, но никогда не измерялся.

«До сих пор эксперименты с реакторными антинейтрино в основном были сосредоточены на работающих реакторах, где поток антинейтрино намного больше», — говорит один из соруководителей исследования Энтони Ониллон из MPIK. «Для обнаружения мельчайшего остаточного сигнала после выключения потребовались исключительно низкие фоновые уровни и тщательные методы анализа, разработанные в ходе многолетней работы коллаборации Double Chooz».

Эксперимент Double Chooz проводился с 2011 по 2017 год и исследовал невероятно огромное количество антинейтрино, производимых на атомной электростанции Chooz на севере Франции. 

В ходе эксперимента Double Chooz были использованы два подземных детектора, расположенных на среднем расстоянии 400 метров и 1050 метров от двух действующих реакторов электростанции, для изучения странного свойства, непостижимого в макроскопическом мире. 

Нейтрино и антинейтрино меняют свой аромат, или тип, по мере своего распространения в процессе, называемом осцилляцией. 

Это как купить шоколадное мороженое, которое по пути из магазина домой, а затем в миску превращается в ванильное, — объясняют физики из Фермилаба, — и в процессе изобрести квантовое неаполитанское мороженое. 

Однако физики не могут фактически «видеть» антинейтрино; они могут лишь предположить их существование на основе их взаимодействия с другими частицами в тщательно разработанных детекторах. 

«Антинейтрино взаимодействуют с материей крайне редко», — объясняет Тьерри Лассерр из MPIK. «Однако при взаимодействии внутри детектора Double Chooz генерируется характерный сигнал двойного свечения, который можно отличить от фоновых событий».

В качестве еще одной аналогии, связанной с едой, представьте столкновение грузовика, полного конфет Mentos, и грузовика, полного колы, в результате которого образуется характерный фонтан шипучки. 

Когда нейтрино или антинейтрино проходит через детектор Double Chooz, оно иногда сталкивается с протоном внутри «жидкого сцинтиллятора» во внутренней камере детектора.

В результате этого столкновения образуются нейтрон и позитрон — антиматериальный аналог электрона. Позитрон мгновенно аннигилирует с окружающим электроном, вызывая вспышку света, которая происходит благодаря сцинтиллятору. 

Нейтрон захватывается гадолинием, серебристым редкоземельным металлическим элементом, находящимся внутри сцинтиллятора, что приводит к возникновению второй вспышки света и обеспечивает «двухфакторную аутентификацию» события с антинейтрино. 

Это явление называется обратным бета-распадом (ОБР) и часто происходит в реакторах во время деления таких элементов, как уран и плутоний. Оно представляет собой крупнейший источник искусственно созданных антинейтрино, и отслеживание этого потока может оказаться бесценным для обеспечения ядерной безопасности и, возможно, для анализа изменяющегося состава этих топливных материалов. 

В ходе исследования ученые наблюдали избыток событий IBD в том диапазоне энергий, где, вероятно, достигается пик желаемого сигнала остаточного излучения. 

В течение 17,2 дней наблюдений, когда оба реакторных ядра Чооза были выключены, исследователи обнаружили «очень хорошее соответствие» между измеренными и ожидаемыми событиями антинейтрино – а именно, 106 ±18 измеренных событий по сравнению с 88 ±7 предсказанными. Это может составлять менее 1% от потока сигнала во время работы реакторного ядра.

Точность этого метода еще можно улучшить. Он чувствителен к значительным изменениям потока, но, возможно, не сможет определить, например, пропажу нескольких отработанных топливных сборок, отмечают исследователи.

В целом, эта работа служит бесценным подтверждением концепции прямых, неинвазивных ядерных испытаний, которые потенциально могут послужить основой для разработки будущих стандартов ядерной безопасности.