Prvi put izmjerena nevidljiva emisija iz ugašenih nuklearnih reaktora

Upravo je ta njihova „sablasna“ priroda ključna za razvoj novih metoda nuklearnog nadzora, jer omogućava neinvazivan uvid u procese unutar reaktora, čak i nakon što prestanu s radom, piše Sajens alert (ScienceAlert).

U nedavnom eksperimentu u Francuskoj naučnici su detektovali prigušeni tok elektronskih antineutrina koji i dalje izlazi iz jezgara isključenih nuklearnih reaktora. Time su prvi put eksperimentalno potvrdili postojanje ovog preostalog zračenja, koje je do sada bilo samo teorijski predviđeno.

Eksperiment Dabl Šu

Mjerenje je sprovela naučna kolaboracija Dabl Šu (Double Chooz), koju su predvodili fizičari sa Instituta Maks Plank (Max Planck) za nuklearnu fiziku (MPIK). Potvrdili su da tok čestica dolazi iz istrošenog goriva unutar dva reaktora, kao i iz uskladištenog otpadnog materijala u bazenima za hlađenje.

„Dosadašnji eksperimenti s reaktorskim antineutrinima uglavnom su bili usmjereni na reaktore u pogonu, gdje je tok antineutrina znatno veći“, rekao je Antoni Onijon (Anthony Onillon), fizičar na MPIK-u i jedan od rukovodilaca studije.

„Detekcija sićušnog preostalog signala nakon gašenja zahtijevala je izuzetno nizak nivo pozadinskog šuma i precizne analitičke tehnike koje je kolaboracija Dabl Šu razvijala godinama.“

Ilustracija mjesta eksperimenta s detaljnim prikazom reaktora i detektora. (Kolaboracija Dabl Šu)

Eksperiment Dabl Šu odvijao se od 2011. do 2017. godine.

Naučnici su tada proučavali ogromne količine antineutrina proizvedenih u nuklearnoj elektrani Šu (Chooz) na sjeveru Francuske.

Koristili su dva podzemna detektora, postavljena na prosječnoj udaljenosti od 400 i 1.050 metara od dva aktivna reaktora.

Kako uhvatiti nevidljivu česticu

Glavni cilj bio je proučavanje neobičnog svojstva poznatog kao oscilacija, pri kojem neutrini i antineutrini tokom putovanja spontano mijenjaju svoj „ukus“, odnosno vrstu. Fizičari iz Fermilaba slikovito su to opisali kao da kupite sladoled od čokolade koji se na putu do kuće pretvori u vaniliju, a zatim u jagodu.

Fizičari zapravo ne mogu direktno da „vide“ antineutrine. Njihovo postojanje zaključuju na osnovu rijetkih interakcija s drugim česticama unutar posebno dizajniranih detektora.

„Antineutrini izuzetno rijetko stupaju u interakciju s materijom“, objašnjava Tjeri Laser (Thierry Lasserre), fizičar sa MPIK-a.

„Ipak, kada do interakcije dođe unutar detektora Dabl Šu, stvara se karakterističan dvostruki svjetlosni signal koji se može razlikovati od pozadinskih događaja.“

Signal u dva koraka

Kada antineutrino prođe kroz detektor, ponekad se sudari s protonom unutar tečnog scintilatora, materije koja emituje svjetlost pri prolasku zračenja. Taj sudar stvara neutron i pozitron, koji je antimaterijski parnjak elektrona. Pozitron se odmah poništava u sudaru s obližnjim elektronom, što proizvodi prvi bljesak svjetlosti.

Ubrzo nakon toga, novonastali neutron hvata atom gadolinijuma, rijetkog metala dodatog u scintilator, što uzrokuje drugi bljesak svjetlosti. Ta dva signala u kratkom vremenskom razmaku služe kao pouzdana potvrda da je detektovan upravo antineutrino. Cijeli proces naziva se inverzni beta-raspad (IBD).

Budući da se IBD često događa tokom fisije uranijuma i plutonijuma u reaktorima, praćenje toka antineutrina može biti ključno za nuklearnu bezbjednost i analizu sastava goriva.

Rezultati i buduća primjena

Tokom 17,2 dana posmatranja, dok su oba jezgra reaktora Šu bila ugašena, istraživači su zabilježili 106, plus-minus 18, događaja. Taj broj je u skladu s teorijskim predviđanjem od 88, plus-minus sedam, događaja. Izmjereni signal predstavlja manje od jedan odsto toka koji se bilježi dok reaktor radi.

Naučnici ističu da se preciznost tehnike može dodatno poboljšati. Trenutna metoda osjetljiva je na veće promjene u toku čestica, ali vjerovatno ne bi mogla da otkrije, na primjer, da nedostaje nekoliko sklopova istrošenog goriva.

Uprkos tome, ovaj rad predstavlja važan dokaz koncepta za razvoj metoda direktnog i neinvazivnog nuklearnog nadzora, što bi u budućnosti moglo značajno da unaprijedi bezbjednosne standarde.

(Indeks)