Первый промышленный детектор антинейтрино, трёхмерная модель
Первый промышленный детектор антинейтрино, предназначенный для мониторинга энергетических ядерных реакторов, создаётся в НИИЯФ МГУ под руководством кандидата физико-математических наук Александра Чепурнова (по гранту РФФИ - 12-02-12129). Участниками этого проекта являются учёные из РНЦ Курчатовский институт, ИЯИ РАН и ВНИИА им. Н.Л. Духова.
Ядерные реакторы атомных электростанций являются наиболее мощными известными источниками антинейтрино на Земле, поэтому с помощью детектора антинейтрино можно эффективно осуществлять контроль за работой АЭС. Антинейтрино имеют низкую вероятность взаимодействия с веществом и обладают крайне высокой проникающей способностью: они могут беспрепятственно пролететь сквозь сотни метров стали и бетона, неся точную информацию о том, что происходит в центре ядерного реактора. При этом на человека никакого воздействия антинейтрино не оказывают.
Метод прикладного использования антинейтрино для мониторинга работы реакторов атомных станций был предложен ещё в 70-е годы сотрудником Курчатовского института атомной энергии (в настоящее время РНЦ Курчатовский институт), профессором Л.А. Микаэляном. В 80-е годы этот метод был подтверждён рядом блестящих экспериментов, проведённых группой Л.А. Микаэляна на реакторе Ровенской атомной электростанции.
К 2000 году техника детектирования антинейтрино с использованием жидких сцинтилляторов достигла такого совершенства и степени изученности, что стало возможным проводить не только масштабные фундаментальные исследования с использованием детекторов большого объёма (DoubleCHOOZ, Reno, DayaBay), но и создание промышленного детектора антинейтрино. Что касается других материалов, применяемых в качестве чувствительного объёма для детектирования антинейтрино: твёрдые пластиковые сцинтилляторы, сверхчистые полупроводниковые материалы и сжиженные благородные газы, - то их применение в настоящее время ограничивается проведением фундаментальных исследований.
«Используемый нами жидкий органический сцинтиллятор на основе линейного алкилбензола с добавлением гадолиния обладает большим сечением захвата нейтронов и высокой прозрачностью, что обеспечивает высокую эффективность регистрации продуктов реакции обратного бета-распада, которая используется для регистрации антинейтрино в чувствительном объёме детектора», - рассказал Александр Чепурнов.
В настоящий момент группой учёных Александра Чепурнова завершён первый этап создания промышленного детектора антинейтрино: готовы для тестирования образцы жидкого сцинтиллятора, протестированы фотоэлектронные умножители и собран электронный тракт обработки данных с фотоэлектронных умножителей; изготовлены два 30-литровых прототипа для предварительных тестов на совместимость конструкционных материалов с жидким сцинтиллятором, отработки промышленных конструктивных решений и проверки свойств фотоэлектронных умножителей и различных вариантов жидкого сцинтиллятора.
Корпус детектора антинейтрино из низкофоновой нержавеющей стали будет состоять из трёх зон, что позволит подавить фоновое излучение от фотоэлектронных умножителей и снизить эффект «утекания гамма-квантов», рождённых в реакции обратного бета-распада. Подавление внешнего фона от космических мюонов, нейтронов и гамма-квантов от реактора будет достигнуто за счёт применения многослойной пассивной защиты и активной защиты из пластикового сцинтиллятора. Общие габариты детектора антинейтрино составят 2.5х2.5х2.5 метров. Общий объём – 15 куб. м., объём основной мишени - 1 куб. м. Детектор предназначен для промышленного использования, в связи с этим он будет разборным, и после сборки и проверки - не требующим обслуживания.
Как будет осуществляться мониторинг ядерного реактора?
Цепная реакция деления, протекающая в активной зоне ядерного реактора, сопровождается излучением электронного антинейтрино в ходе бета-распада перегруженных нейтронами осколков деления. В среднем в результате одного акта деления испускается около 6 антинейтрино.
По интенсивности и плотности потока антинейтрино детектор дистанционно сможет измерять изменение тепловой мощности реактора, оценивать композитный состав топлива и скорость наработки плутония-239 для независимого и параллельного подтверждения состояния активной зоны реактора.
Главное, что кроме дополнительного контроля за процессами в ядерном реакторе, детектор антинейтрино может в течение нескольких часов определить, что произошла несанкционированная остановка реактора, которая может быть использована с целью извлечения плутония-239 для создания ядерных боеприпасов.
Для справки. На атомных электростанциях наиболее распространено топливо в виде таблеток из смеси урана-238, обогащенного на 2-5% ураном-235 в виде спечённого диоксида урана UO2 диаметром 9-10 мм, которые помещены в цилиндрическую защитную оболочку, изготовленную из циркониевого сплава. Топливом является уран-235. Важно то, что в процессе работы ядерного реактора под воздействием нейтронов из урана-238 нарабатываются изотопы плутония, которые могут быть извлечены из топлива и использованы для изготовления ядерных боеприпасов.
Изготовители считают, что промышленный детектор антинейтрино может стать надёжным дополнительным инструментом МАГАТЭ (межправительственное Международное агентство по атомной энергии) для решения задачи нераспространения делящихся материалов. Напомним, что основная функция МАГАТЭ - обеспечение контроля за ядерными установками и материалами путём изучения соответствующих учётных документов, проверки работы операторов на ядерных установках, проведения выборочных измерений в «ключевых точках» установок. А с реализацией и последующим внедрением промышленного детектора антинейтрино в технологический цикл работы атомной станции у агентства появится возможность постоянного контроля в реальном времени за использованием делящихся материалов. В свою очередь, государство будет иметь независимые данные, показывающие, что материалы применяются по назначению в соответствии с подписанным соглашением с МАГАТЭ.
«Все компоненты и детали первого промышленного детектора антинейтрино планируется изготовить к первой половине 2014 года. Сборка и тестирование детектора, измерение его физических характеристик займет весь 2014 год. Следующим этапом будет планирование и проведение демонстрационного эксперимента на атомной станции», - сообщил Александр Чепурнов.
Также он добавил, что создаваемый сегодня детектор антинейтрино будет установлен в НИИЯФ МГУ. Это, вероятно, вызовет вопрос: как может детектор использоваться в институте, если в нём нет ядерных реакторов? На самом деле его применение весьма широкое. С помощью детектора антинейтрино учёные смогут разрабатывать и исследовать свойства новых жидких сцинтилляторов, изучать свойства фотоэлектронных умножителей и других детектирующих приборов, разрабатывать и испытывать электронные приборы и программное обеспечение для систем сбора и обработки данных. Также можно будет обучать студентов современным методикам регистрации ядерных излучений на самом передовом уровне, что подготовит их к участию в масштабных международных экспериментах и коллаборациях.
«У нас в перспективе - участие в международных проектах, поскольку будущий детектор НИИЯФ МГУ – маленькая копия больших детекторов, таких как DayaBay, Reno и DoubleCHOOZ. Все элементы больших детекторов у нас имеются. Планы большие, работы много, поэтому приглашаем к участию в проекте по разработке и созданию первого промышленного детектора антинейтрино студентов и других заинтересованных лиц», - сказал Александр Чепурнов.