Kernspaltungsreaktoren sind in vielen Teilen der Welt eine wichtige Energiequelle und die weltweite Stromkapazität wird sich voraussichtlich bis 2050 nahezu verdoppeln. Ein Problem besteht jedoch darin, dass es schwierig ist zu erkennen, ob ein Kernreaktor auch zur Herstellung von Material für die Kernenergie genutzt wird Waffen.
Das Einfangen und Analysieren von Antimaterieteilchen hat sich als vielversprechend für die Überwachung der spezifischen Reaktorvorgänge erwiesen, selbst aus Hunderten von Kilometern Entfernung.
In AIP-FortschritteForscher der University of Sheffield und der University of Hawaii haben einen Detektor entwickelt, der von Kernreaktoren emittierte Antineutrinos erkennt und analysiert. Der von Stephen Wilson und Kollegen entworfene Detektor erkennt Antineutrinos und kann deren Energieprofile aus meilenweiter Entfernung charakterisieren, um so die Aktivität in Kernreaktoren zu überwachen.
„In diesem Artikel testen wir ein Detektordesign, mit dem die Energie der Partikelemission von Kernspaltungsreaktoren über große Entfernungen gemessen werden könnte“, sagte Autor Wilson. „Diese Informationen könnten uns nicht nur Aufschluss darüber geben, ob ein Reaktor existiert und über seinen Betriebszyklus, sondern auch, wie weit der Reaktor entfernt ist.“
Neutrinos sind ladungslose Elementarteilchen mit einer Masse von nahezu Null, und Antineutrinos sind ihr Gegenstück zur Antimaterie, das am häufigsten bei Kernreaktionen entsteht. Die Erfassung dieser Antiteilchen und die Analyse ihrer Energieniveaus liefern Informationen über alles, vom Betriebszyklus bis hin zu spezifischen Isotopen in abgebrannten Brennelementen.
Das Detektordesign der Gruppe nutzt Tscherenkow-Strahlung, ein Phänomen, bei dem Strahlung emittiert wird, wenn geladene Teilchen, die sich schneller als Licht bewegen, ein bestimmtes Medium passieren, ähnlich wie Überschallknalle beim Überqueren der Schallmauer. Dies ist auch für das unheimliche blaue Leuchten von Kernreaktoren verantwortlich und wurde in Astrophysiklaboren zum Nachweis von Neutrinos verwendet.
Die Forscher schlugen vor, ihr Gerät im Nordosten Englands zusammenzubauen und Antineutrinos aus Reaktoren im gesamten Vereinigten Königreich sowie in Nordfrankreich nachzuweisen.
Ein Problem besteht jedoch darin, dass Antineutrinos aus der oberen Atmosphäre und dem Weltraum das Signal verfälschen können, insbesondere da sehr weit entfernte Reaktoren äußerst kleine Signale liefern – manchmal in der Größenordnung eines einzelnen Antineutrinos pro Tag.
Um dies zu erklären, schlug die Gruppe vor, ihren Detektor in einer Mine mehr als einen Kilometer unter der Erde zu platzieren.
„Die Unterscheidung zwischen diesen Teilchen stellt ebenfalls eine erhebliche Analyseherausforderung dar, und die Messung eines Energiespektrums kann unpraktisch lange dauern“, sagte Wilson. „Was mich in vielerlei Hinsicht am meisten überrascht hat, ist, dass dies nicht wirklich unmöglich ist.“
Wilson hofft, dass der Detektor mehr Diskussionen über die Verwendung von Antineutrinos zur Überwachung von Reaktoren anregt, einschließlich der Messung des Antineutrino-Spektrums abgebrannter Kernbrennstoffe oder der Entwicklung kleinerer Detektoren für den Einsatz in der Nähe von Reaktoren.
Weitere Informationen:
Remote-Reaktor-Range über Antineutrino-Oszillationen, AIP-Fortschritte (2024). DOI: 10.1063/5.0220877