Российские физики из эксперимента DANSS, расположенного на Калининской атомной станции, проследили при помощи реакторных антинейтрино за изменением мощности реактора, а также за составом ядерного топлива с точностью не хуже традиционных методов. Для этого они использовали детектор на основе пластикового сцинтиллятора. Исследование опубликовано в Physics Letters B.
Мониторинг работы ядерного реактора традиционно ведется с помощью множества датчиков и детекторов, измеряющих тепловую мощность и состояние топлива. Однако эти методы могут содержать систематические погрешности, поэтому для повышения безопасности и точности работы реакторов важно развивать независимые подходы мониторинга. Одним из них может стать использование потока антинейтрино — частиц, которые рождаются непосредственно в результате распада продуктов деления ядер и беспрепятственно выходят за пределы реактора.
Однако зарегистрировать нейтрино и антинейтрино крайне сложно, поэтому ученые постоянно разрабатывают новые подходы и улучшают детекторы. Например, недавно ученым удалось зарегистрировать упругое когерентное рассеяние реакторных антинейтрино при помощи германиевого детектора.
На этот раз физики из эксперимента по поиску стерильных нейтрино DANSS под руководством Михаила Данилова (Mikhail Danilov) из Физического института имени Лебедева РАН и Марка Ширченко (Mark Shirchenko) из Института ядерных исследований РАН смогли при помощи реакторных антинейтрино отследить изменения мощности реактора, а также проследили за изменением состава ядерного топлива с рекордной для данного метода точностью. Для этого ученые использовали установленный под активной зоной одного из реакторов Калининской атомной электростанции детектор, способный ежедневно фиксировать около пяти тысяч событий обратного бета-распада, вызванных антинейтрино. Детектор состоял из 2500 счетчиков на основе пластикового сцинтиллятора с суммарным чувствительным объемом около кубического метра и располагался на подвижной платформе, позволяющей изменять расстояние между реактором и детектором.
Проанализировав данные, набранные за семь лет работы эксперимента, физики показали, что относительные изменения мощности реактора, определенные по потоку антинейтрино, полностью совпадают с показаниями штатных систем измерений с точностью около одного процента. Кроме того, с помощью антинейтрино удалось независимо определить доли деления урана-235 и плутония-239 в активной зоне реактора, напрямую из спектра детектируемых частиц. Эти данные оказались в полном согласии с расчетами, проводимыми на станции, и различались не более чем на три процента.
По словам ученых, полученные результаты демонстрируют перспективность использования нейтринных методов для контроля работы реакторов. Такой подход может использоваться не только для повышения безопасности и точности эксплуатационных параметров АЭС, но и для международного контроля за нераспространением ядерного оружия, позволяя напрямую отслеживать наработку оружейного плутония в реакторах.