反中微子探测可以帮助远程监测核反应堆

测量来自核反应堆的称为反中微子的亚原子粒子流的技术可以允许连续远程监测，以检测可能表明核材料转移的加油变化。监测可以从反应堆容器外部进行，并且该技术可以足够敏感以检测单个燃料组件的替代。

该技术可用于现有的压水反应堆以及预期需要较少频率加油的未来设计，可以补充其他监测技术，包括人员检查员的存在。通过佐治亚理工学院的研究人员进行的广泛模拟，证实了地上反中微子监测技术对当前和未来反应堆的潜在效用。

“Antineutrino探测器提供了一种解决方案，可以连续，实时地验证核反应堆内部的情况，而不必实际存在于反应堆堆芯中，”佐治亚理工学院George W. Woodruff机械工程学院副教授Anna Erickson说。 。“你不能屏蔽反中微子，因此，如果运行反应堆的国家决定将其用于恶意目的，它们无法阻止我们看到反应堆运行发生变化。”

这项研究将于8月6日在“ 自然通讯 ”杂志上报道，部分得到了核管理委员会(NRC)的资助。该研究评估了两种类型的反应堆，以及基于PROSPECT探测器的反中微子探测技术，该探测器目前部署在橡树岭国家实验室的高通量同位素反应堆(HFIR)。

反中微子是基本的亚原子粒子，具有无限小的质量和无电荷。它们能够通过核反应堆堆芯周围的屏蔽，在那里它们作为核裂变过程的一部分生产。在核反应堆中产生的反中微子通量取决于裂变材料的类型和反应堆运行的功率水平。

“由于铀238吸收中子，传统的核反应堆缓慢在其核心中形成钚239，在燃料循环过程中将裂变反应从铀235转移到钚239。我们可以看到反中微子发射的特征随着时间的推移而变化，“埃里克森说。“如果一个流氓国家改变燃料，试图通过更换燃料组件来转移钚作为武器，我们应该能够看到一个能够测量签名中微小变化的探测器。”

她说，燃料的反中微子特征可以像视网膜扫描一样独特，并且可以使用模拟预测特征如何随时间变化。“然后我们可以验证我们用反中微子探测器看到的东西与我们期望看到的相符。”

在研究中，埃里克森和最近的博士。毕业生Christopher Stewart和Abdalla Abou-Jaoude使用高保真计算机模拟来评估位于反应堆安全壳附近但不在反应堆安全壳内的近场反中微子探测器的能力。挑战之一是区分裂变产生的粒子和自然背景产生的粒子。

“我们将测量能量，位置和时间，以确定检测是否是来自反应堆的反中微子或其他东西，”她说。“反中微子很难被发现，我们不能直接这样做。这些粒子与氢原子核相互作用的可能性非常小，所以我们依靠这些质子将反中微子转化为正电子和中子。”

这些图像将反中微子光谱和反中微子探测器响应的演变作为压水反应堆和超长循环快堆中反应堆运行时间的函数进行比较。图片来源：Georgia Tech

现在用于发电的核反应堆必须定期加油，这一操作为人类检查提供了机会，但未来几代核反应堆可能在没有加油的情况下运行长达30年。模拟显示，钠冷却反应堆也可以使用反中微子探测器进行监测，尽管它们的特征与当前一代压水反应堆的特征不同。

未来的挑战之一是减小反中微子探测器的尺寸，使其足够便携，以适应可以通过核反应堆驱动的车辆。研究人员还希望改进探测器的方向性，使其专注于反应堆堆芯的排放，以提高其探测甚至微小变化的能力。

检测原理在概念上类似于用于身份验证的视网膜扫描。在视网膜扫描中，红外光束穿过人的视网膜和血管，这可以通过相对于其他组织的较高光吸收来区分。然后提取该映射信息并将其与先前采集的视网膜扫描进行比较并存储在数据库中。如果两者匹配，则可以验证该人的身份。

类似地，核反应堆连续发射反中微子，这些反中微子的通量和光谱随特定的燃料同位素发生裂变而变化。一些反中微子通过反β衰变在附近的探测器中相互作用。将该探测器测量的信号与存储在相关反应堆，初始燃料和燃耗的数据库中的参考拷贝进行比较; 与参考副本充分匹配的信号将表明核心库存未被隐蔽地改变。但是，如果扰动反应堆的反中微子通量与预期的充分不同，则可能表明发生了转移。

随着反应堆从燃烧铀转变为钚，不同能量的反中微子粒子的发射率随着使用寿命的变化而变化。来自压水反应堆的信号包括重复的18个月运行周期和3个月的加油间隔，而来自超长周期快堆(UCFR)的信号将代表连续运行，不包括维护中断。

埃里克森说，防止适合武器的特殊核材料的扩散是许多不同机构和组织的研究人员长期关注的问题。

“从核材料的开采到核材料的处理，它一路走来，在这个过程的每一步，我们都要关心谁在处理它，以及它是否可能落入坏人之手，”她解释说。“情况更复杂，因为我们不想阻止核材料用于发电，因为核能是非碳能源的重要贡献者。”

Erickson说，该论文显示了该技术的可行性，并应该鼓励探测器技术的不断发展。

“该研究的一个亮点是对装配级别转移的详细分析，这对于我们理解反中微子探测器的局限性以及可能实施的政策的潜在影响至关重要，”她说。“我认为该文件将鼓励人们更详细地研究未来的系统。”