Уникальное открытие: нейтринное эхо остановленного реактора зафиксировано впервые

Эксперимент продемонстрировал, что даже полностью выключенный ядерный реактор продолжает излучать измеримый поток антинейтрино — это предоставляет возможность для дистанционного мониторинга отработанного топлива без необходимости вскрытия контейнеров

Коллаборация Double Chooz опубликовала в журнале Physical Review Letters первое в своей истории измерение остаточного потока электронных антинейтрино от полностью остановленных реакторов. Исследователи применили детектор, расположенный в 400 метрах от двух реакторных блоков АЭС «Шо» (Centrale nucleaire de Chooz) во Франции, и проанализировали 17,2 дня чистого времени, накопленного в течение четырёх периодов 2017 года, когда оба реактора были одновременно выключены.

В энергетическом диапазоне от 1 до 3 МэВ, где ожидается максимальный остаточный сигнал, было зарегистрировано 106 ± 18 событий — антинейтринных взаимодействий — при предсказании 88 ± 7, что соответствует значимости 5,9 стандартного отклонения. Выше 3 МэВ сигнал отсутствует, что полностью соответствует моделям распада долгоживущих продуктов деления.

Остаточный поток антинейтрино возникает не из цепной реакции, а из бета-распада изотопов, накопившихся в топливе в течение эксплуатации: 144-церий–144-празеодим (период полураспада 285 дней), 106-рутений–106-родий (372 дня) и 90-стронций–90-иттрий (28,9 лет). Эти изотопы продолжают испускать антинейтрино спустя дни, месяцы и годы после остановки реактора, при этом поток от топлива в активной зоне резко уменьшается в первые часы, а вклад от отработанного топлива в бассейнах выдержки остается практически постоянным в течение дней. Моделирование дало распределение вкладов: 56% от активных зон и 44% от бассейнов — и позволило впервые экспериментально подтвердить предсказания по остаточному нейтринному излучению.

Детектор Double Chooz использует 10,3 кубометра жидкого сцинтиллятора, содержащего гадолиний. Антинейтрино фиксируются по обратному бета-распаду: позитрон вызывает мгновенное свечение, а захват нейтрона гадолинием — задержанный сигнал. Фоновый шум от быстрых нейтронов, мюонов и случайных совпадений снижен защитным комплексом из детекторов элементарных частиц, окружающим основной детектор антинейтрино. Он предназначен для мгновенной регистрации космических мюонов и подавления фона, а нейросетевой классификатор фильтрует ложные срабатывания.

В результате фон в диапазоне 1–3 МэВ составил 86 ± 8 событий, из которых более половины — коррелированный мюонный фон, а после вычитания остается статистически значимый остаточный сигнал. Дальний детектор на расстоянии 1,05 км также зафиксировал избыток в 27 ± 13 событий при предсказанных 14 ± 1, что подтверждает полученные результаты.

Значение данной работы выходит за пределы фундаментальной физики. МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии) уже на протяжении двух десятилетий обсуждает нейтринный мониторинг реакторов как способ контроля: в отличие от камер и пломб, поток антинейтрино невозможно экранировать, и его энергетический спектр прямо связан с изотопным составом топлива. Теперь впервые продемонстрировано, что данный метод работает не только на действующем реакторе, но и на остановленном, включая вклад от бассейнов, где хранятся отработанные сборки. Чувствительность текущего эксперимента недостаточна для выявления пропажи нескольких сборок, но достаточна для грубой верификации общего инвентаря — что уже является шагом к практической системе гарантий, особенно в компактных сухих хранилищах с ограниченным количеством контейнеров.

Авторы подчеркивают, что измерение стало возможным благодаря уникальной конфигурации АЭС «Шо» с двумя блоками и длительными периодами одновременной остановки. Детектор накопил достаточно статистики, чтобы выделить сигнал, эквивалентный потоку порядка 3,6 × 108 антинейтрино на квадратный сантиметр в секунду у ближнего детектора — менее 0,5% от номинального потока при полной мощности. Это первое опубликованное эталонное значение остаточного нейтринного излучения реактора и его отработанного топлива. Следующий шаг — разработка более доступных и мобильных детекторов для установки вблизи хранилищ: физика показала, что задача из области концепций перешла в разряд экспериментально обоснованных методов ядерной безопасности.