Antineutrino-detektion kan hjælpe med fjernovervågning af atomreaktorer

Teknologi til at måle strømmen af ​​subatomære partikler kendt som antineutrinoer fra atomreaktorer kunne tillade kontinuerlig fjernovervågning designet til at detektere brændstofændringer, der kan indikere omdirigering af nukleare materialer. Overvågningen kunne udføres uden for reaktorbeholderen, og teknologien kan være følsom nok til at opdage substitution af en enkelt brændstofsamling.

Teknikken, som kunne bruges med eksisterende trykvandsreaktorer såvel som fremtidige designs, der forventes at kræve mindre hyppig optankning, kunne supplere andre overvågningsteknikker, herunder tilstedeværelsen af ​​menneskelige inspektører. Den potentielle nytte af den overjordiske antineutrino-overvågningsteknik for nuværende og fremtidige reaktorer blev bekræftet gennem omfattende simuleringer udført af forskere ved Georgia Institute of Technology.

"Antineutrino-detektorer tilbyder en løsning til kontinuerlig, verifikation i realtid af, hvad der foregår i en atomreaktor uden faktisk at skulle være i reaktorkernen, " sagde Anna Erickson, lektor ved Georgia Techs George W. Woodruff School of Mechanical Engineering. "Du kan ikke beskytte antineutrinoer, så hvis staten, der driver en reaktor, beslutter sig for at bruge den til ondsindede formål, de kan ikke forhindre os i at se, at der var en ændring i reaktordriften."

Forskningen, meddeles 6. august i journalen Naturkommunikation , blev delvist støttet af et tilskud fra Nuclear Regulatory Commission (NRC). Forskningen evaluerede to typer reaktorer, og antineutrino-detektionsteknologi baseret på en PROSPECT-detektor, der i øjeblikket er indsat på Oak Ridge National Laboratory's High Flux Isotope Reactor (HFIR).

Antineutrinoer er elementære subatomære partikler med en uendeligt lille masse og ingen elektrisk ladning. De er i stand til at passere gennem afskærmning omkring en atomreaktorkerne, hvor de produceres som en del af kernefissionsprocessen. Strømmen af ​​antineutrinoer produceret i en atomreaktor afhænger af typen af ​​fissionsmaterialer og det effektniveau, som reaktoren drives ved.

"Traditionelle atomreaktorer opbygger langsomt plutonium 239 i deres kerner som en konsekvens af uran 238 absorption af neutroner, at skifte fissionsreaktionen fra uranium 235 til plutonium 239 under brændselscyklussen. Vi kan se, at i signaturen af ​​antineutrino-emissionsændringer over tid, " sagde Erickson. "Hvis brændstoffet ændres af en slyngelstat, der forsøger at omdirigere plutonium til våben ved at erstatte brændstofsamlinger, det burde vi kunne se med en detektor, der er i stand til at måle selv små ændringer i signaturerne."

Brændstoffets antineutrino-signatur kan være lige så unik som en nethindescanning, og hvordan signaturen ændrer sig over tid kan forudsiges ved hjælp af simuleringer, hun sagde. "Vi kunne derefter kontrollere, at det, vi ser med antineutrino-detektoren, matcher det, vi ville forvente at se."

I forskningen, Erickson og nyligt ph.d. kandidaterne Christopher Stewart og Abdalla Abou-Jaoude brugte high-fidelity computersimuleringer til at vurdere mulighederne for nærfelts-antineutrino-detektorer, der ville være placeret i nærheden af ​​– men ikke inde i – reaktorindeslutningsbeholdere. Blandt udfordringerne er at skelne mellem partikler genereret ved fission og partikler fra naturlig baggrund.

"Vi ville måle energien, position og timing for at bestemme, om en påvisning var en antineutrino fra reaktoren eller noget andet, " sagde hun. "Antineutrinoer er svære at opdage, og vi kan ikke gøre det direkte. Disse partikler har en meget lille chance for at interagere med en brintkerne, så vi er afhængige af disse protoner til at omdanne antineutrinoerne til positroner og neutroner."

Atomreaktorer, der nu bruges til elproduktion, skal påfyldes regelmæssigt, og denne operation giver mulighed for menneskelig inspektion, men fremtidige generationer af atomreaktorer kan fungere i så længe som 30 år uden påfyldning. Simuleringen viste, at natriumkølede reaktorer også kunne overvåges ved hjælp af antineutrino-detektorer, selvom deres signaturer vil være forskellige fra den nuværende generation af trykvandsreaktorer.

Blandt de kommende udfordringer er at reducere størrelsen af ​​antineutrino-detektorerne for at gøre dem bærbare nok til at passe ind i et køretøj, der kunne køres forbi en atomreaktor. Forskere ønsker også at forbedre detektorernes retningsbestemmelse for at holde dem fokuseret på emissioner fra reaktorkernen for at øge deres evne til at detektere selv små ændringer.

Detektionsprincippet svarer i konceptet til det for nethindescanninger, der bruges til identitetsverifikation. Ved nethindescanninger, en infrarød stråle krydser en persons nethinde og blodkarrene, som kan skelnes ved deres højere lysabsorption i forhold til andet væv. Denne kortlægningsinformation udtrækkes derefter og sammenlignes med en nethindescanning taget tidligere og gemt i en database. Hvis de to matcher, personens identitet kan verificeres.

Tilsvarende en atomreaktor udsender kontinuerligt antineutrinoer, der varierer i flux og spektrum med de særlige brændselsisotoper, der gennemgår fission. Nogle antineutrinoer interagerer i en nærliggende detektor via omvendt beta-henfald. Signalet målt af denne detektor sammenlignes med en referencekopi gemt i en database for den relevante reaktor, indledende brændstof og udbrænding; et signal, der i tilstrækkelig grad matcher referencekopien, ville indikere, at kerneopgørelsen ikke er blevet skjult ændret. Imidlertid, hvis antineutrino-fluxen i en forstyrret reaktor er tilstrækkelig forskellig fra, hvad der kunne forventes, der kunne tyde på, at der har fundet en omdirigering sted.

Emissionshastighederne for antineutrino-partikler ved forskellige energier varierer med driftslevetiden, da reaktorer skifter fra at brænde uran til plutonium. Signalet fra en trykvandsreaktor består af en gentagen 18-måneders driftscyklus med et 3-måneders optankningsinterval, mens signal fra en ultra-lang cyklus hurtig reaktor (UCFR) ville repræsentere kontinuerlig drift, eksklusive vedligeholdelsesafbrydelser.

At forhindre spredning af specielle nukleare materialer egnet til våben er en langsigtet bekymring for forskere fra mange forskellige agenturer og organisationer, sagde Erickson.

"Det går hele vejen fra minedrift af nukleart materiale til bortskaffelse af nukleart materiale, og ved hvert trin i den proces, vi skal være bekymrede over, hvem der håndterer det, og om det kan komme i de forkerte hænder, " forklarede hun. "Billedet er mere kompliceret, fordi vi ikke ønsker at forhindre brugen af ​​nukleare materialer til elproduktion, fordi nukleare er en stor bidragyder til ikke-kulstofenergi."

Papiret viser teknikkens gennemførlighed og bør tilskynde til den fortsatte udvikling af detektorteknologier, sagde Erickson.

"Et af højdepunkterne i forskningen er en detaljeret analyse af omledning på samlingsniveau, der er afgørende for vores forståelse af begrænsningerne på antineutrino-detektorer og de potentielle implikationer for politik, der kunne implementeres, " sagde hun. "Jeg tror, ​​at papiret vil opmuntre folk til at se nærmere på fremtidige systemer."