Technologie om de stroom van subatomaire deeltjes, bekend als antineutrino's, uit kernreactoren te meten, zou continue monitoring op afstand mogelijk kunnen maken, ontworpen om brandstofveranderingen te detecteren die kunnen wijzen op de omleiding van nucleair materiaal. De monitoring kan van buiten het reactorvat worden gedaan, en de technologie kan gevoelig genoeg zijn om vervanging van een enkele brandstofassemblage te detecteren.

De techniek, die kunnen worden gebruikt met bestaande drukwaterreactoren, evenals toekomstige ontwerpen die naar verwachting minder vaak hoeven te worden bijgetankt, andere monitoringtechnieken zou kunnen aanvullen, inclusief de aanwezigheid van menselijke inspecteurs. Het potentiële nut van de bovengrondse antineutrino-monitoringtechniek voor huidige en toekomstige reactoren werd bevestigd door uitgebreide simulaties door onderzoekers van het Georgia Institute of Technology.

"Antineutrinodetectoren bieden een oplossing voor continue, realtime verificatie van wat er in een kernreactor gebeurt zonder dat u zich daadwerkelijk in de reactorkern hoeft te bevinden, " zei Anna Erickson, universitair hoofddocent aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering van Georgia Tech. "Je kunt antineutrino's niet afschermen, dus als de staat die een reactor runt besluit om het voor snode doeleinden te gebruiken, ze kunnen niet voorkomen dat we zien dat er een verandering is opgetreden in de werking van de reactor."

Het onderzoek, te melden op 6 augustus in het journaal Natuurcommunicatie , werd gedeeltelijk ondersteund door een subsidie ​​van de Nuclear Regulatory Commission (NRC). Het onderzoek evalueerde twee typen reactoren, en antineutrino-detectietechnologie gebaseerd op een PROSPECT-detector die momenteel wordt gebruikt in de High Flux Isotope Reactor (HFIR) van Oak Ridge National Laboratory.

Antineutrino's zijn elementaire subatomaire deeltjes met een oneindig kleine massa en geen elektrische lading. Ze kunnen door afscherming rond een kernreactorkern gaan, waar ze worden geproduceerd als onderdeel van het kernsplijtingsproces. De flux van antineutrino's die in een kernreactor wordt geproduceerd, hangt af van het type splijtingsmateriaal en het vermogensniveau waarop de reactor wordt gebruikt.

"Traditionele kernreactoren bouwen langzaam plutonium 239 op in hun kernen als gevolg van de opname van uranium 238 van neutronen, het verschuiven van de splijtingsreactie van uranium 235 naar plutonium 239 tijdens de splijtstofcyclus. We kunnen zien dat in de handtekening van antineutrino-emissie in de loop van de tijd verandert, Erickson zei. "Als de brandstof wordt ververst door een schurkenstaat die plutonium probeert te gebruiken voor wapens door brandstofassemblages te vervangen, dat zouden we moeten kunnen zien met een detector die zelfs kleine veranderingen in de handtekeningen kan meten."

De antineutrino-signatuur van de brandstof kan net zo uniek zijn als een netvliesscan, en hoe de handtekening in de loop van de tijd verandert, kan worden voorspeld met behulp van simulaties, ze zei. "We konden dan verifiëren dat wat we zien met de antineutrino-detector overeenkomt met wat we zouden verwachten te zien."

In het onderzoek, Erickson en recente Ph.D. afgestudeerden Christopher Stewart en Abdalla Abou-Jaoude gebruikten high-fidelity computersimulaties om de mogelijkheden te beoordelen van antineutrino-detectoren in het nabije veld die zich in de buurt van, maar niet in, reactorvaten zouden bevinden. Een van de uitdagingen is het onderscheid maken tussen deeltjes die worden gegenereerd door splijting en die van natuurlijke achtergrond.

"We zouden de energie meten, positie en timing om te bepalen of een detectie een antineutrino van de reactor was of iets anders, " zei ze. "Antineutrino's zijn moeilijk te detecteren en dat kunnen we niet rechtstreeks doen. Deze deeltjes hebben een zeer kleine kans op interactie met een waterstofkern, dus we vertrouwen op die protonen om de antineutrino's om te zetten in positronen en neutronen."

Kernreactoren die nu voor energieopwekking worden gebruikt, moeten regelmatig worden bijgetankt, en die operatie biedt de mogelijkheid voor menselijke inspectie, maar toekomstige generaties kernreactoren kunnen wel 30 jaar werken zonder bij te tanken. De simulatie toonde aan dat natriumgekoelde reactoren ook kunnen worden gevolgd met behulp van antineutrino-detectoren, hoewel hun handtekening zal verschillen van die van de huidige generatie drukwaterreactoren.

Een van de uitdagingen die voor ons liggen, is het verkleinen van de antineutrino-detectoren om ze draagbaar genoeg te maken om in een voertuig te passen dat langs een kernreactor zou kunnen worden gereden. Onderzoekers willen ook de richting van de detectoren verbeteren om ze gefocust te houden op de emissies van de reactorkern om hun vermogen om zelfs kleine veranderingen te detecteren te vergroten.

Het detectieprincipe is qua concept vergelijkbaar met dat van retinale scans die worden gebruikt voor identiteitsverificatie. Bij netvliesscans, een infraroodstraal doorkruist het netvlies en de bloedvaten van een persoon, die zich onderscheiden door hun hogere lichtabsorptie in vergelijking met ander weefsel. Deze mapping-informatie wordt vervolgens geëxtraheerd en vergeleken met een eerder gemaakte retinale scan en opgeslagen in een database. Als de twee overeenkomen, de identiteit van de persoon kan worden geverifieerd.

evenzo, een kernreactor zendt continu antineutrino's uit die variëren in flux en spectrum met de specifieke brandstofisotopen die splijting ondergaan. Sommige antineutrino's interageren in een nabijgelegen detector via invers bètaverval. Het door die detector gemeten signaal wordt vergeleken met een referentiekopie die is opgeslagen in een database voor de betreffende reactor, initiële brandstof en opbranden; een signaal dat voldoende overeenkomt met het referentie-exemplaar zou erop wijzen dat de kerninventaris niet heimelijk is gewijzigd. Echter, als de antineutrinoflux van een verstoorde reactor voldoende verschilt van wat zou worden verwacht, dat zou erop kunnen wijzen dat er een omleiding heeft plaatsgevonden.

De emissiesnelheden van antineutrinodeeltjes bij verschillende energieën variëren met de operationele levensduur, aangezien reactoren overschakelen van het verbranden van uranium naar plutonium. Het signaal van een drukwaterreactor bestaat uit een herhaalde bedrijfscyclus van 18 maanden met een tankinterval van drie maanden, terwijl het signaal van een snelle reactor met ultralange cyclus (UCFR) een continue werking zou vertegenwoordigen, exclusief onderhoudsonderbrekingen.

Het voorkomen van de verspreiding van speciaal nucleair materiaal dat geschikt is voor wapens is een langetermijnzorg van onderzoekers van veel verschillende instanties en organisaties, zei Erikson.

"Het gaat helemaal van de winning van nucleair materiaal tot de verwijdering van nucleair materiaal, en bij elke stap van dat proces, we moeten ons zorgen maken over wie het afhandelt en of het in verkeerde handen kan komen, " legde ze uit. "Het beeld is ingewikkelder omdat we het gebruik van nucleair materiaal voor energieopwekking niet willen voorkomen, omdat kernenergie een grote bijdrage levert aan niet-koolstofenergie."

Het document toont de haalbaarheid van de techniek aan en zou de verdere ontwikkeling van detectortechnologieën moeten aanmoedigen, zei Erikson.

"Een van de hoogtepunten van het onderzoek is een gedetailleerde analyse van omleiding op assemblageniveau die van cruciaal belang is voor ons begrip van de beperkingen op antineutrino-detectoren en de mogelijke implicaties voor het beleid dat zou kunnen worden geïmplementeerd, "zei ze. "Ik denk dat de krant mensen zal aanmoedigen om toekomstige systemen nader te onderzoeken."