反中微子探測(cè)可以幫助遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)核反應(yīng)堆

測(cè)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(cè)，以檢測(cè)可能表明核材料轉(zhuǎn)移的加油變化。監(jiān)測(cè)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(cè)單個(gè)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(jì)，可以補(bǔ)充其他監(jiān)測(cè)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(shí)了地上反中微子監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)當(dāng)前和未來反應(yīng)堆的潛在效用。

“Antineutrino探測(cè)器提供了一種解決方案，可以連續(xù)，實(shí)時(shí)地驗(yàn)證核反應(yīng)堆內(nèi)部的情況，而不必實(shí)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(xiàng)研究將于8月6日在“ 自然通訊 ”雜志上報(bào)道，部分得到了核管理委員會(huì)(NRC)的資助。該研究評(píng)估了兩種類型的反應(yīng)堆，以及基于PROSPECT探測(cè)器的反中微子探測(cè)技術(shù)，該探測(cè)器目前部署在橡樹嶺實(shí)驗(yàn)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(shí)間的推移而變化，“埃里克森說。“如果一個(gè)流氓改變?nèi)剂?，試圖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(gè)能夠測(cè)量簽名中微小變化的探測(cè)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(cè)特征如何隨時(shí)間變化。“然后我們可以驗(yàn)證我們用反中微子探測(cè)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(jì)算機(jī)模擬來評(píng)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(chǎng)反中微子探測(cè)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(cè)量能量，位置和時(shí)間，以確定檢測(cè)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(cè)器響應(yīng)的演變作為壓水反應(yīng)堆和超長(zhǎng)循環(huán)快堆中反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)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(huì)，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(zhǎng)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(cè)器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(cè)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(dòng)的車輛。研究人員還希望改進(jìn)探測(cè)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(cè)甚至微小變化的能力。

檢測(cè)原理在概念上類似于用于身份驗(yàn)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(duì)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(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。如果兩者匹配，則可以驗(yàn)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?cè)诟浇奶綔y(cè)器中相互作用。將該探測(cè)器測(cè)量的信號(hào)與存儲(chǔ)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(hào)將表明核心庫存未被隱蔽地改變。但是，如果擾動(dòng)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(hào)包括重復(fù)的18個(gè)月運(yùn)行周期和3個(gè)月的加油間隔，而來自超長(zhǎng)周期快堆(UCFR)的信號(hào)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(zhǎng)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(gè)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?yàn)槲覀儾幌胱柚购瞬牧嫌糜诎l(fā)電，因?yàn)楹四苁欠翘寄茉吹闹匾暙I(xiàn)者。”

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

“該研究的一個(gè)亮點(diǎn)是對(duì)裝配級(jí)別轉(zhuǎn)移的詳細(xì)分析，這對(duì)于我們理解反中微子探測(cè)器的局限性以及可能實(shí)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(lì)人們更詳細(xì)地研究未來的系統(tǒng)。”