Ученые впервые измерили количество антинейтрино, испускаемых отработанным ядерным топливом
Когда ядерный реактор останавливается, его наиболее заметная активность может прекратиться почти мгновенно, но физические процессы внутри активной зоны продолжаются. Радиоактивные продукты деления, оставшиеся в топливе, продолжают распадаться в течение месяцев или даже лет, выделяя тепло, радиацию и удивительно слабый поток антинейтрино. Эти почти безмассовые частицы проходят сквозь конструкцию реактора, системы охлаждения, бетонную защиту и Землю практически без препятствий. Теперь коллаборация Double Chooz сообщила о первом прямом измерении этого остаточного излучения антинейтрино от отработанного ядерного топлива, превратив ранее предсказанный сигнал в экспериментально наблюдаемый.
Результат демонстрирует, что детекторы антинейтрино могут продолжать «видеть» реактор после остановки его турбин и завершения ядерной цепной реакции. Хотя сигнал значительно слабее интенсивного потока антинейтрино от работающего реактора, измерение подтверждает, что радиоактивное топливо остается обнаруживаемым по частицам, испускаемым им во время остановки.
Наблюдение проводилось на АЭС Шуаз на севере Франции, где детектор Double Chooz расположен примерно в 400 м от двух реакторных зон. Установленный под землей для уменьшения помех от космических лучей и других источников фонового шума, детектор содержит более 30 кубических метров жидкого сцинтиллятора. Этот материал производит крошечные вспышки света при взаимодействии частиц внутри него, что позволяет исследователям идентифицировать редкие события с участием антинейтрино среди гораздо большего числа несвязанных сигналов.
Ключевое взаимодействие известно как обратный бета-распад. Антинейтрино электрона, попадающее в детектор, может взаимодействовать с протоном в сцинтилляторе, образуя позитрон и нейтрон. Позитрон быстро аннигилирует с электроном, создавая мгновенную вспышку света. Затем нейтрон захватывается через короткое время, генерируя вторую, отложенную вспышку. Этот характерный паттерн «быстрых и запоздалых» событий действует как отпечаток пальца, позволяя ученым отличать реакторные антинейтрино от фоновых событий, даже если их количество невелико.
Для нового анализа ученые изучили данные за 17,2 дня, пока оба реакторных блока «Чооз» были полностью остановлены и детектор идентифицировал примерно 100 событий-кандидатов на антинейтрино, связанных с радиоактивным материалом, оставшимся в активных зонах реакторов, и с расположенными поблизости бассейнами охлаждения отработанного топлива. Это число ничтожно мало по сравнению с частотой событий во время нормальной работы реактора, что делает наблюдение зависимым от чрезвычайно низкого фонового уровня, точной калибровки детектора и статистических методов, способных выделить слабый сигнал из окружающего шума.
Антинейтрино, обнаруженные после остановки, образуются в основном в результате бета-распада долгоживущих продуктов деления. Во время работы ядерная цепочка деления создает сложную смесь нестабильных изотопов. Многие из этих изотопов быстро распадаются, но другие остаются радиоактивными в течение длительных периодов времени. По мере трансформации их ядер они испускают бета-частицы и антинейтрино. Точное распределение энергии и интенсивность этого излучения зависят от состава, возраста и истории охлаждения топлива, а также от количества отработанного топлива, хранящегося поблизости.
Измеренный сигнал точно совпал с результатами детального моделирования, основанного на оставшемся количестве ядерного топлива и прогнозируемом распаде долгоживущих продуктов деления. Это совпадение имеет важное значение, поскольку оно обеспечивает первое прямое экспериментальное подтверждение моделей, описывающих излучение антинейтрино от остановленных реакторов и отработанного топлива. Такие модели важны не только для физики элементарных частиц, но и для разработки методов, которые могли бы независимо оценивать условия работы реактора, не полагаясь исключительно на информацию, предоставляемую операторами станции.