Физики в начальный раз зафиксировали свечение в остановленных ядерных реакторах, вызванное нейтрино

Неуловимые нейтрино и их античастицы, антинейтрино, часто называют «призрачными частицами», поскольку они практически никогда не взаимодействуют с материей из‑за отсутствия электрического заряда и практически нулевой массы.

Тем не менее, эти «призрачные» элементарные частицы могут помочь усовершенствовать систему безопасности ядерных станций, предоставляя неинвазивный метод изучения процессов, происходящих внутри ядерных реакторов, — в том числе спектрального потока антинейтрино после отключения атомной электростанции.

В ходе недавнего эксперимента физики впервые измерили это остаточное излучение, обнаружив тусклое свечение электронных антинейтрино, исходящее из темноты «спящих» активных зон ядерных реакторов во Франции.

Под руководством физиков из Института ядерной физики имени Макса Планка (MPIK) исследователи из коллаборации Double Chooz экспериментально подтвердили существование этого предсказанного потока, исходящего как от отработанного топлива внутри двух реакторов, так и от удалённых отходов, размещённых в бассейнах охлаждения.

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 — антиэлектрон. Позитрон мгновенно аннигилирует с электроном, генерируя вспышку света, усиливаемую сцинтиллятором.

Это явление называется обратным бета‑распадом (ОБР) и часто наблюдается в реакторах при делении таких элементов, как уран и плутоний. Оно представляет собой крупнейший ресурс антинейтрино антропогенного происхождения, и отслеживание этого потока может оказаться неоценимым для обеспечения ядерной безопасности и, возможно, для анализа изменений в составе этих топливных материалов.

В ходе исследования учёные зафиксировали избыток событий ОБР в диапазоне энергий, где, по всей вероятности, достигает максимума искомый сигнал остаточного излучения. За 17,2 дня наблюдений, в течение которых обе активные зоны реактора Chooz были отключены, исследователи обнаружили «весьма хорошую согласованность» между измеренными и ожидаемыми событиями антинейтринного излучения — в частности, 106 ± 18 измеренных событий по сравнению с 88 ± 7 прогнозируемыми. Это может составлять менее 1% от сигнала потока во время работы активной зоны реактора.

Точность этой методики ещё можно повысить. Исследователи отмечают, что она чувствительна к значительным изменениям потока, но, возможно, не сможет определить, если, например, пропало некоторое количество отработанных топливных сборок. Тем не менее в целом эта работа служит бесценным подтверждением концепции прямых неинвазивных ядерных испытаний, что потенциально может повлиять на будущие стандарты ядерных гарантий.