Впервые поймано нейтринное эхо остановленного реактора: 106 антинейтрино за 17 дней
Коллаборация Double Chooz опубликовала в Physical Review Letters первое в истории измерение остаточного потока электронных антинейтрино от полностью остановленных реакторов. Исследователи использовали детектор, расположенный в 400 метрах от двух реакторных блоков АЭС «Шо» (Centrale nucleaire de Chooz) во Франции, и проанализировали 17,2 дня чистого времени, накопленного в течение четырёх периодов 2017 года, когда оба реактора были заглушены одновременно.
В энергетическом окне от 1 до 3 МэВ, где ожидается максимум остаточного сигнала, зарегистрировано 106 ± 18 событий — антинейтринных взаимодействий — при предсказании 88 ± 7, что соответствует значимости 5,9 стандартного отклонения. Выше 3 МэВ сигнал отсутствует, что полностью согласуется с моделями распада долгоживущих продуктов деления.
Остаточный поток антинейтрино порождается не цепной реакцией, а бета-распадом изотопов, накопившихся в топливе за время кампании: 144-церий–144-празеодим (период полураспада 285 дней), 106-рутений–106-родий (372 дня) и 90-стронций–90-иттрий (28,9 лет). Эти изотопы продолжают испускать антинейтрино спустя дни, месяцы и годы после остановки реактора, причём поток от топлива в активной зоне резко падает в первые часы, а вклад от отработанного топлива в бассейнах выдержки, напротив, практически постоянен в масштабах дней. Моделирование дало распределение вкладов: 56% от активных зон и 44% от бассейнов — и позволило впервые экспериментально подтвердить предсказания по остаточному нейтринному излучению.
Фото: R. Lackner / MPIK
Детектор Double Chooz использует 10,3 кубометра жидкого сцинтиллятора, легированного гадолинием. Антинейтрино регистрируются по обратному бета-распаду: позитрон даёт мгновенную вспышку, а захват нейтрона гадолинием — задержанный сигнал. Фон от быстрых нейтронов, мюонов и случайных совпадений подавлен защитным комплексом из детекторов элементарных частиц, окружающий основной детектор антинейтрино. Она предназначена для мгновенной фиксации космических мюонов и подавления фоновых помех, а нейросетевой классификатор отсекает ложные срабатывания.
В итоге фон в области 1–3 МэВ составил 86 ± 8 событий, из которых более половины — коррелированный мюонный фон, а после вычитания остаётся статистически значимый остаточный сигнал. Дальний детектор на удалении 1,05 км также зафиксировал избыток в 27 ± 13 событий при предсказанных 14 ± 1, что подтверждает результат.
Значение работы выходит за рамки фундаментальной физики. МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии) уже два десятилетия обсуждает нейтринный мониторинг реакторов как метод контроля: в отличие от камер и пломб, поток антинейтрино невозможно экранировать, и его энергетический спектр однозначно связан с изотопным составом топлива. Теперь впервые показано, что метод работает не только на работающем реакторе, но и на остановленном, включая вклад от бассейнов, где хранятся отработанные сборки. Чувствительность нынешнего эксперимента недостаточна для обнаружения пропажи нескольких сборок, но достаточна для грубой верификации общего инвентаря —, а это уже шаг к практической системе гарантий, особенно в компактных сухих хранилищах с ограниченным числом контейнеров.
Авторы подчёркивают, что измерение стало возможным благодаря уникальной конфигурации АЭС «Шо» с двумя блоками и длительными периодами одновременного останова. Детектор накопил достаточно статистики, чтобы выделить сигнал, эквивалентный потоку порядка 3,6 × 108 антинейтрино на квадратный сантиметр в секунду у ближнего детектора — менее 0,5% от номинального потока на полной мощности. Это первый опубликованный эталон остаточного нейтринного излучения реактора и его отработанного топлива. Следующий шаг — создание более дешёвых и мобильных детекторов для развёртывания вблизи хранилищ: физика показала, что задача из области концепций перешла в разряд экспериментально обоснованных методов ядерной безопасности.
© iXBT
