Детектор, установленный рядом с французской атомной электростанцией, зафиксировал слабое свечение частиц от реакторов, которые были полностью остановлены. Этот результат стал первым экспериментальным эталоном сигнала, который в перспективе может дать информацию об отработанном ядерном топливе за пределами самого реактора. Источник: SciTechDaily.com

Спустя долгое время после остановки ядерного реактора его радиоактивное топливо продолжает воздействовать на материю, оставляя после себя скрытый сигнал, который ученые обнаружили впервые.

Выключение ядерного реактора останавливает цепную реакцию, но не делает реактор полностью бесшумным. Спустя долгое время после остановки реактора радиоактивные фрагменты, оставшиеся после деления ядер, продолжают распадаться, испуская слабый поток почти не поддающихся обнаружению частиц, известных как антинейтрино.

Теперь ученые впервые измерили этот остаточный сигнал напрямую. В ходе эксперимента Double Chooz во Франции исследователи обнаружили антинейтрино, испускаемые после остановки двух ядерных реакторов. Это позволило выявить слабое «послесвечение» частиц, возникающее из-за частично использованного топлива в активных зонах и хранящегося поблизости отработанного топлива.

В конечном итоге этот результат может дать инспекторам по ядерной безопасности новый способ проверки активности реакторов и контроля запасов отработанного топлива даже в том случае, если объект не работает. Поскольку антинейтрино без труда проходят через стенки реактора, защитную оболочку и окружающие горные породы, они могут передавать информацию из мест, которые иначе трудно наблюдать напрямую.

Исследование, опубликованное в Physical Review Letters, было проведено под руководством Энтони Онильона и Тьерри Лассерра из Института ядерной физики Общества Макса Планка (MPIK) в Гейдельберге, Германия. Это первое количественное измерение остаточного потока антинейтрино, который сохраняется после выключения реакторов.

Антинейтрино образуются в огромных количествах при ядерном делении, но их чрезвычайно сложно обнаружить, поскольку они редко взаимодействуют с материей. Большинство из них проходят сквозь стенки реактора, защитную оболочку и окружающую среду, не оставляя следов. Это же свойство делает их ценными сигналами. В отличие от тепла, радиации и других привычных сигналов, их нельзя легко заблокировать или скрыть.

После остановки реактора интенсивность аннигиляционного излучения от активного деления ядер быстро снижается. Остаточный сигнал становится гораздо слабее, поскольку долгоживущие продукты деления продолжают распадаться в частично использованном топливе внутри реактора и в тепловыделяющих сборках, хранящихся в бассейнах выдержки. Это остаточное излучение может сохраняться в течение месяцев или лет.

Как детектор Double Chooz обнаруживает антинейтрино

Детектор Double Chooz установлен под землей на атомной электростанции «Шуаз» на севере Франции, примерно в 400 метрах (1300 футах) от двух реакторов станции. Он содержит более 30 кубических метров (1060 кубических футов) жидкого сцинтиллятора, который испускает короткие вспышки света при взаимодействии определенных частиц внутри него.

«Антинейтрино крайне редко взаимодействуют с веществом. Однако при взаимодействии с детектором Double-Chooz возникает характерный сигнал двойного света, который можно отличить от фоновых событий», — объясняет Тьерри Лассер из независимой исследовательской группы OMINA, также расположенной в Институте Макса Планка.

Ученые из Института Макса Планка Тьерри Лассер и Энтони Онильон обсуждают данные Double Chooz. Фото: Р. Лакнер/Институт Макса Планка

Две вспышки происходят не одновременно. При взаимодействии антинейтрино сначала образуется позитрон, что приводит к мгновенной вспышке света. Нейтрон, образовавшийся в результате того же взаимодействия, захватывается чуть позже, что приводит ко второй вспышке. Обнаружение этой пары событий, произошедших практически одновременно, помогает исследователям отделить настоящие события с участием антинейтрино от естественной радиоактивности, космических лучей и других фоновых сигналов.

Первое прямое измерение остаточного сигнала

Коллаборация изучила данные за 17,2 дня, собранные в период, когда оба реактора «Чоуц» были полностью остановлены. В энергетическом диапазоне, где остаточный сигнал был наиболее сильным, детектор зафиксировал 106 событий-кандидатов с погрешностью в 18 событий. Обнаружение достигло статистической значимости в 5,9 сигмы, что значительно выше стандарта, обычно используемого для подтверждения открытия в физике элементарных частиц.

Детальное моделирование реактора предсказывало 88 событий с погрешностью в семь. Такое близкое совпадение наблюдаемых и ожидаемых значений — первое прямое экспериментальное подтверждение моделей, описывающих антинейтрино от остановленных реакторов и хранящегося ядерного топлива.

«До сих пор эксперименты с реакторными антинейтрино проводились в основном на действующих реакторах, где поток антинейтрино гораздо выше. Для обнаружения крошечного остаточного сигнала после остановки реактора требовались исключительно низкие фоновые уровни и тщательные методы анализа, которые коллаборация Double Chooz разрабатывала на протяжении многих лет», — добавляет доктор Онильон.

Ядерный мониторинг и будущие эксперименты

Поскольку антинейтрино свободно проходят через защитные экраны и несут информацию о радиоактивном распаде, будущие детекторы могут стать независимым способом проверки состояния реактора или отслеживания изменений в запасах отработанного топлива. Исследователи уже начинают проверять, насколько хорошо этот подход может работать в других условиях.

Предварительные результаты JUNO-TAO, представленные на конференции Neutrino 2026, показывают, что команда анализирует данные, полученные при выключенном реакторе, чтобы выделить антинейтрино, испускаемые отработанным топливом. Эксперимент Double Chooz стал первым опубликованным эталоном для оценки и сравнения будущих наблюдений.

Изначально Double Chooz создавался для другой цели: изучения нейтринных осцилляций — процесса, при котором нейтрино меняют свой тип во время движения. Эксперимент помог измерить угол смешивания θ13 — фундаментальную величину, которая повлияла на последующие попытки исследовать возможные различия между материей и антиматерией в нейтринном секторе. Благодаря этой последней работе Double Chooz достиг еще одной важной вехи, став первым экспериментом, зафиксировавшим слабое антинейтринное свечение, которое сохраняется после остановки реактора.