Российские ученые провели лабораторный тест эмиссионного детектора РЭД-100, предназначенного для регистрации нейтрино от ядерного реактора. Работа прибора основана на недавно открытом процессе взаимодействия этих частиц с тяжелыми атомными ядрами. Дальнейшие испытания в условиях АЭС позволят создать эффективное средство контроля активной зоны ядерных реакторов. Результаты исследования опубликованыв Journal of Instrumentation. Работа поддержана грантом Российского научного фонда.
Нейтрино — незаряженные элементарные частицы, чрезвычайно слабо взаимодействующие с материей. Процесс упругого когерентного рассеяния нейтрино на атомном ядре еще в 1974 году теоретически предсказал американский физик Дэвид Фридман, и независимо от него — советские физики Владимир Копелиович и Леонид Франкфурт. Этот квантовый эффект связан с соотношением неопределенности: при малых значениях импульса, переданного ядру, нейтрино взаимодействует не с отдельными его составляющими (нуклонами), а сразу со всем ансамблем, то есть когерентно. Детектирование таких процессов долгое время оставалось невозможным из-за малой величины энергии, передающейся ядру, и, как следствие, слабому сигналу.
Для обнаружения упругого когерентного рассеяния в 2015 году сотрудники Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» сконструировали российский эмиссионный детектор (РЭД-100). Международная научная группа COHERENT планировала провести эксперимент на мощном ускорительном источнике нейтринного излучения Spallation Neutron Source (SNS) с детектором РЭД-100 в Окриджской Национальной лаборатории США, штат Теннесcи. По независящим от ученых причинам в исследованиях был использован другой детектор, на котором в 2017 году впервые удалось зарегистрировать упругое когерентное рассеяние нейтрино с атомным ядром. Однако в ускорительном эксперименте возникает смесь трех разных типов нейтрино, и трудно разобраться, как именно происходит взаимодействие. Атомный реактор, на котором планируется провести испытания детектора РЭД-100, производит только чистые электронные антинейтрино.
РЭД-100 — это сверхчувствительный детектор нового поколения, в котором в качестве рабочей среды используется 200 килограмм жидкого ксенона, помещенного в титановый криостат. Взаимодействие нейтрино с атомным ядром ксенона приводит к ионизации среды и появлению нескольких свободных электронов. Под действием электрического поля они попадают в газообразный ксенон над поверхностью жидкой фазы и вызывают сильное свечение газа, которое легко зарегистрировать. РЭД-100 уникален тем, что спроектирован для использования в условиях наземной лаборатории, где присутствует значительный фон от космических лучей, а детектор оснащен оригинальной системой подавления такого фона. Это делает возможным его практическое применение на АЭС.
В феврале 2019 года ученые провели полномасштабную проверку детектора. Также они оценили чувствительность к процессам, энергия которых, как и энергия упругого когерентного рассеяния нейтрино, составляет менее 1 кэВ. Также оценивался фон от космического излучения. Ученые экспериментально показали, что задача регистрации нейтринного излучения от ядерного реактора может быть успешно выполнена. Сейчас ведется подготовка документов, необходимых для размещения РЭД-100 на Калининской АЭС, расположенной на севере Тверской области.
«В случае успешного испытания детектора в условиях АЭС перед нами открывается перспектива создания удобных и эффективных средств независимого контроля состояния и изотопного состава активной зоны ядерных реакторов. Важно то, что это можно будет осуществлять дистанционно за пределами помещения станции. Работа имеет большое значение для повышения безопасности ядерной энергетики»,
– рассказывает руководитель проекта Александр Болоздыня, доктор физико-математических наук, заведующий межкафедральной лабораторией экспериментальной ядерной физики НИЯУ МИФИ.
Работу выполнили сотрудники Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (включая Институт теоретической и экспериментальной физики имени А. И. Алиханова), Московского физико-технического института (национального исследовательского университета), Университета Теннесси (Ноксвил, США), Объединенного института ядерных исследований (Дубна).