反中微子探測可以幫助遠(yuǎn)程監(jiān)測核反應(yīng)堆

測量來自核反應(yīng)堆的稱為反中微子的亞原子粒子流的技術(shù)可以允許連續(xù)遠(yuǎn)程監(jiān)測，以檢測可能表明核材料轉(zhuǎn)移的加油變化。監(jiān)測可以從反應(yīng)堆容器外部進(jìn)行，并且該技術(shù)可以足夠敏感以檢測單個燃料組件的替代。

該技術(shù)可用于現(xiàn)有的壓水反應(yīng)堆以及預(yù)期需要較少頻率加油的未來設(shè)計，可以補(bǔ)充其他監(jiān)測技術(shù)，包括人員檢查員的存在。通過佐治亞理工學(xué)院的研究人員進(jìn)行的廣泛模擬，證實了地上反中微子監(jiān)測技術(shù)對當(dāng)前和未來反應(yīng)堆的潛在效用。

“Antineutrino探測器提供了一種解決方案，可以連續(xù)，實時地驗證核反應(yīng)堆內(nèi)部的情況，而不必實際存在于反應(yīng)堆堆芯中，”佐治亞理工學(xué)院George W. Woodruff機(jī)械工程學(xué)院副教授Anna Erickson說。 。“你不能屏蔽反中微子，因此，如果運(yùn)行反應(yīng)堆的決定將其用于惡意目的，它們無法阻止我們看到反應(yīng)堆運(yùn)行發(fā)生變化。”

這項研究將于8月6日在“ 自然通訊 ”雜志上報道，部分得到了核管理委員會(NRC)的資助。該研究評估了兩種類型的反應(yīng)堆，以及基于PROSPECT探測器的反中微子探測技術(shù)，該探測器目前部署在橡樹嶺實驗室的高通量同位素反應(yīng)堆(HFIR)。

反中微子是基本的亞原子粒子，具有無限小的質(zhì)量和無電荷。它們能夠通過核反應(yīng)堆堆芯周圍的屏蔽，在那里它們作為核裂變過程的一部分生產(chǎn)。在核反應(yīng)堆中產(chǎn)生的反中微子通量取決于裂變材料的類型和反應(yīng)堆運(yùn)行的功率水平。

“由于鈾238吸收中子，傳統(tǒng)的核反應(yīng)堆緩慢在其核心中形成钚239，在燃料循環(huán)過程中將裂變反應(yīng)從鈾235轉(zhuǎn)移到钚239。我們可以看到反中微子發(fā)射的特征隨著時間的推移而變化，“埃里克森說。“如果一個流氓改變?nèi)剂希噲D通過更換燃料組件來轉(zhuǎn)移钚作為武器，我們應(yīng)該能夠看到一個能夠測量簽名中微小變化的探測器。”

她說，燃料的反中微子特征可以像視網(wǎng)膜掃描一樣獨(dú)特，并且可以使用模擬預(yù)測特征如何隨時間變化。“然后我們可以驗證我們用反中微子探測器看到的東西與我們期望看到的相符。”

在研究中，埃里克森和最近的博士。畢業(yè)生Christopher Stewart和Abdalla Abou-Jaoude使用高保真計算機(jī)模擬來評估位于反應(yīng)堆安全殼附近但不在反應(yīng)堆安全殼內(nèi)的近場反中微子探測器的能力。挑戰(zhàn)之一是區(qū)分裂變產(chǎn)生的粒子和自然背景產(chǎn)生的粒子。

“我們將測量能量，位置和時間，以確定檢測是否是來自反應(yīng)堆的反中微子或其他東西，”她說。“反中微子很難被發(fā)現(xiàn)，我們不能直接這樣做。這些粒子與氫原子核相互作用的可能性非常小，所以我們依靠這些質(zhì)子將反中微子轉(zhuǎn)化為正電子和中子。”

這些圖像將反中微子光譜和反中微子探測器響應(yīng)的演變作為壓水反應(yīng)堆和超長循環(huán)快堆中反應(yīng)堆運(yùn)行時間的函數(shù)進(jìn)行比較。圖片來源：Georgia Tech

現(xiàn)在用于發(fā)電的核反應(yīng)堆必須定期加油，這一操作為人類檢查提供了機(jī)會，但未來幾代核反應(yīng)堆可能在沒有加油的情況下運(yùn)行長達(dá)30年。模擬顯示，鈉冷卻反應(yīng)堆也可以使用反中微子探測器進(jìn)行監(jiān)測，盡管它們的特征與當(dāng)前一代壓水反應(yīng)堆的特征不同。

未來的挑戰(zhàn)之一是減小反中微子探測器的尺寸，使其足夠便攜，以適應(yīng)可以通過核反應(yīng)堆驅(qū)動的車輛。研究人員還希望改進(jìn)探測器的方向性，使其專注于反應(yīng)堆堆芯的排放，以提高其探測甚至微小變化的能力。

檢測原理在概念上類似于用于身份驗證的視網(wǎng)膜掃描。在視網(wǎng)膜掃描中，紅外光束穿過人的視網(wǎng)膜和血管，這可以通過相對于其他組織的較高光吸收來區(qū)分。然后提取該映射信息并將其與先前采集的視網(wǎng)膜掃描進(jìn)行比較并存儲在數(shù)據(jù)庫中。如果兩者匹配，則可以驗證該人的身份。

類似地，核反應(yīng)堆連續(xù)發(fā)射反中微子，這些反中微子的通量和光譜隨特定的燃料同位素發(fā)生裂變而變化。一些反中微子通過反β衰變在附近的探測器中相互作用。將該探測器測量的信號與存儲在相關(guān)反應(yīng)堆，初始燃料和燃耗的數(shù)據(jù)庫中的參考拷貝進(jìn)行比較; 與參考副本充分匹配的信號將表明核心庫存未被隱蔽地改變。但是，如果擾動反應(yīng)堆的反中微子通量與預(yù)期的充分不同，則可能表明發(fā)生了轉(zhuǎn)移。

隨著反應(yīng)堆從燃燒鈾轉(zhuǎn)變?yōu)轭?，不同能量的反中微子粒子的發(fā)射率隨著使用壽命的變化而變化。來自壓水反應(yīng)堆的信號包括重復(fù)的18個月運(yùn)行周期和3個月的加油間隔，而來自超長周期快堆(UCFR)的信號將代表連續(xù)運(yùn)行，不包括維護(hù)中斷。

埃里克森說，防止適合武器的特殊核材料的擴(kuò)散是許多不同機(jī)構(gòu)和組織的研究人員長期關(guān)注的問題。

“從核材料的開采到核材料的處理，它一路走來，在這個過程的每一步，我們都要關(guān)心誰在處理它，以及它是否可能落入壞人之手，”她解釋說。“情況更復(fù)雜，因為我們不想阻止核材料用于發(fā)電，因為核能是非碳能源的重要貢獻(xiàn)者。”

Erickson說，該論文顯示了該技術(shù)的可行性，并應(yīng)該鼓勵探測器技術(shù)的不斷發(fā)展。

“該研究的一個亮點是對裝配級別轉(zhuǎn)移的詳細(xì)分析，這對于我們理解反中微子探測器的局限性以及可能實施的政策的潛在影響至關(guān)重要，”她說。“我認(rèn)為該文件將鼓勵人們更詳細(xì)地研究未來的系統(tǒng)。”