Teknik för att mäta flödet av subatomära partiklar som kallas antineutrinos från kärnreaktorer kan möjliggöra kontinuerlig fjärrövervakning avsedd att upptäcka bränsleförändringar som kan tyda på avledning av kärnmaterial. Övervakningen kan göras utanför reaktorkärlet, och tekniken kan vara tillräckligt känslig för att detektera substitution av en enda bränslepatron.

Tekniken, som kan användas med befintliga tryckvattenreaktorer samt framtida konstruktioner som förväntas kräva mindre frekvent tankning, kan komplettera andra övervakningstekniker, inklusive närvaro av mänskliga inspektörer. Den potentiella användbarheten av den överjordiska antineutrino-övervakningstekniken för nuvarande och framtida reaktorer bekräftades genom omfattande simuleringar gjorda av forskare vid Georgia Institute of Technology.

"Antineutrino -detektorer erbjuder en lösning för kontinuerliga, verifiering i realtid av vad som händer i en kärnreaktor utan att behöva befinna sig i reaktorkärnan, "sa Anna Erickson, docent i Georgia Techs George W. Woodruff School of Mechanical Engineering. "Du kan inte skydda antineutrinos, så om staten som driver en reaktor bestämmer sig för att använda den för elaka ändamål, de kan inte hindra oss från att se att det skedde en förändring i reaktorverksamheten. "

Forskningen, ska rapporteras 6 augusti i tidningen Naturkommunikation , fick delvis stöd av ett bidrag från Nuclear Regulatory Commission (NRC). Forskningen utvärderade två typer av reaktorer, och antineutrino -detekteringsteknik baserad på en PROSPECT -detektor som för närvarande används vid Oak Ridge National Laboratory's High Flux Isotope Reactor (HFIR).

Antineutrinos är elementära subatomära partiklar med en oändligt liten massa och ingen elektrisk laddning. De kan passera genom avskärmning runt en kärnreaktorkärna, där de produceras som en del av kärnklyvningsprocessen. Flödet av antineutrinos som produceras i en kärnreaktor beror på typen av klyvningsmaterial och effektnivån vid vilken reaktorn drivs.

"Traditionella kärnreaktorer bygger långsamt upp plutonium 239 i sina kärnor som en följd av uran 238 absorption av neutroner, växla klyvningsreaktionen från uran 235 till plutonium 239 under bränslecykeln. Vi kan se att i signaturen av antineutrino -utsläpp förändras över tid, "Erickson sa." Om bränslet byts av en oseriös nation som försöker avleda plutonium för vapen genom att ersätta bränslepatroner, vi borde kunna se det med en detektor som kan mäta även små förändringar i signaturerna. "

Bränslets antineutrino -signatur kan vara lika unik som en retinalskanning, och hur signaturen ändras över tid kan förutses med hjälp av simuleringar, Hon sa. "Vi kunde då verifiera att det vi ser med antineutrino -detektorn matchar vad vi förväntar oss att se."

I forskningen, Erickson och den senaste Ph.D. akademikerna Christopher Stewart och Abdalla Abou-Jaoude använde datorsimuleringar med hög trovärdighet för att bedöma kapaciteten hos antineutrino-detektorer i närheten av fält som skulle vara placerade nära-men inte inuti-reaktorinneslutningskärl. Bland utmaningarna är att skilja mellan partiklar som genereras av klyvning och de med naturlig bakgrund.

"Vi skulle mäta energin, position och tidpunkt för att avgöra om en detektion var en antineutrino från reaktorn eller något annat, "sa hon." Antineutrinos är svåra att upptäcka och vi kan inte göra det direkt. Dessa partiklar har en mycket liten chans att interagera med en vätekärna, så vi litar på dessa protoner för att omvandla antineutrinoerna till positroner och neutroner. "

Kärnreaktorer som nu används för kraftproduktion måste tankas regelbundet, och att operationen ger en möjlighet till mänsklig inspektion, men framtida generationer av kärnreaktorer kan fungera så länge som 30 år utan tankning. Simuleringen visade att natriumkylda reaktorer också kunde övervakas med hjälp av antineutrino-detektorer, även om deras signaturer kommer att skilja sig från den för den nuvarande generationen av tryckvattenreaktorer.

Bland utmaningarna framöver är att minska storleken på antineutrino -detektorerna för att göra dem tillräckligt bärbara för att passa in i ett fordon som kan köras förbi en kärnreaktor. Forskare vill också förbättra detektorernas riktning för att hålla dem fokuserade på utsläpp från reaktorkärnan för att öka deras förmåga att upptäcka även små förändringar.

Detektionsprincipen liknar i konceptet den för retinalskanningar som används för identitetsverifiering. Vid retinalskanning, en infraröd stråle passerar en persons näthinna och blodkärlen, som utmärks av sin högre ljusabsorption i förhållande till annan vävnad. Denna mappningsinformation extraheras sedan och jämförs med en retinalskanning som tagits tidigare och lagrats i en databas. Om de två matchar, personens identitet kan verifieras.

Liknande, en kärnreaktor avger kontinuerligt antineutrinoer som varierar i flöde och spektrum med de specifika bränsleisotoper som genomgår fission. Vissa antineutrinos interagerar i en närliggande detektor via invers betaförfall. Signalen som mäts av den detektorn jämförs med en referenskopia lagrad i en databas för den relevanta reaktorn, initialt bränsle och uppbränning; en signal som tillräckligt matchar referenskopian skulle indikera att kärninventeringen inte har ändrats i hemlighet. Dock, om antineutrino -flödet hos en störd reaktor är tillräckligt annorlunda än vad som kan förväntas, som kan tyda på att en avledning har skett.

Utsläppshastigheten för antineutrino -partiklar vid olika energier varierar med livslängden när reaktorer skiftar från brinnande uran till plutonium. Signalen från en tryckvattenreaktor består av en upprepad 18-månaders driftscykel med ett tre månaders tankningsintervall, medan signal från en ultralång cykel snabb reaktor (UCFR) skulle representera kontinuerlig drift, exklusive underhållsavbrott.

Att förhindra spridning av speciellt kärnämne som är lämpligt för vapen är ett långsiktigt problem för forskare från många olika organ och organisationer, Sa Erickson.

"Det går hela vägen från brytning av kärnmaterial till kärnkraftsmaterial, och vid varje steg i processen, vi måste vara oroliga för vem som hanterar det och om det kan komma i fel händer, "förklarade hon." Bilden är mer komplicerad eftersom vi inte vill förhindra användningen av kärnmaterial för kraftproduktion eftersom kärnkraft är en stor bidragsgivare till icke-kolenergi. "

Papperet visar teknikens genomförbarhet och bör uppmuntra den fortsatta utvecklingen av detektorteknik, Sa Erickson.

"En av höjdpunkterna i forskningen är en detaljerad analys av avledning på montering som är avgörande för vår förståelse av begränsningarna för antineutrino-detektorer och de potentiella konsekvenserna för politik som kan genomföras, "sa hon." Jag tror att tidningen kommer att uppmuntra människor att titta närmare på framtida system. "