La tecnologia per misurare il flusso di particelle subatomiche note come antineutrini dai reattori nucleari potrebbe consentire un monitoraggio remoto continuo progettato per rilevare i cambiamenti di alimentazione che potrebbero indicare la diversione dei materiali nucleari. Il monitoraggio potrebbe essere effettuato dall'esterno del recipiente del reattore, e la tecnologia potrebbe essere sufficientemente sensibile da rilevare la sostituzione di un singolo gruppo di combustibile.

La tecnica, che potrebbe essere utilizzato con i reattori ad acqua pressurizzata esistenti, nonché i progetti futuri che dovrebbero richiedere un rifornimento meno frequente, potrebbe integrare altre tecniche di monitoraggio, compresa la presenza di ispettori umani. La potenziale utilità della tecnica di monitoraggio dell'antineutrino fuori terra per i reattori attuali e futuri è stata confermata attraverso ampie simulazioni effettuate dai ricercatori del Georgia Institute of Technology.

"I rivelatori di antineutrini offrono una soluzione per il continuo, verifica in tempo reale di ciò che sta accadendo all'interno di un reattore nucleare senza dover effettivamente essere nel nocciolo del reattore, "ha detto Anna Erickson, professore associato presso la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering della Georgia Tech. "Non puoi proteggere gli antineutrini, quindi se lo stato che gestisce un reattore decide di usarlo per scopi nefasti, non possono impedirci di vedere che c'è stato un cambiamento nelle operazioni del reattore".

La ricerca, da segnalare il 6 agosto sulla rivista Comunicazioni sulla natura , è stato parzialmente sostenuto da una sovvenzione della Commissione di regolamentazione nucleare (NRC). La ricerca ha valutato due tipi di reattori, e la tecnologia di rilevamento degli antineutrini basata su un rivelatore PROSPECT attualmente utilizzato presso l'High Flux Isotope Reactor (HFIR) dell'Oak Ridge National Laboratory.

Gli antineutrini sono particelle subatomiche elementari con una massa infinitamente piccola e senza carica elettrica. Sono in grado di passare attraverso la schermatura attorno al nocciolo di un reattore nucleare, dove sono prodotti come parte del processo di fissione nucleare. Il flusso di antineutrini prodotti in un reattore nucleare dipende dal tipo di materiali di fissione e dal livello di potenza a cui viene fatto funzionare il reattore.

"I reattori nucleari tradizionali accumulano lentamente plutonio 239 nei loro nuclei come conseguenza dell'assorbimento dell'uranio 238 dei neutroni, spostando la reazione di fissione dall'uranio 235 al plutonio 239 durante il ciclo del combustibile. Possiamo vedere che nella firma dell'emissione di antineutrino cambia nel tempo, " ha detto Erickson. "Se il carburante viene cambiato da una nazione canaglia che tenta di deviare il plutonio per le armi sostituendo i gruppi di combustibile, dovremmo essere in grado di vederlo con un rilevatore in grado di misurare anche piccoli cambiamenti nelle firme".

La firma antineutrino del carburante può essere unica come una scansione retinica, e come la firma cambia nel tempo può essere prevista utilizzando simulazioni, lei disse. "Potremmo quindi verificare che ciò che vediamo con il rilevatore di antineutrino corrisponda a ciò che ci aspetteremmo di vedere".

Nella ricerca, Erickson e il recente dottorato di ricerca. i laureati Christopher Stewart e Abdalla Abou-Jaoude hanno utilizzato simulazioni al computer ad alta fedeltà per valutare le capacità dei rivelatori di antineutrino di campo vicino che sarebbero stati situati vicino, ma non all'interno, delle navi di contenimento del reattore. Tra le sfide c'è la distinzione tra le particelle generate dalla fissione e quelle provenienti dal fondo naturale.

"Misuriamo l'energia, posizione e tempi per determinare se un rilevamento era un antineutrino dal reattore o qualcos'altro, " ha detto. "Gli antineutrini sono difficili da rilevare e non possiamo farlo direttamente. Queste particelle hanno una possibilità molto piccola di interagire con un nucleo di idrogeno, quindi ci affidiamo a quei protoni per convertire gli antineutrini in positroni e neutroni".

I reattori nucleari ora utilizzati per la produzione di energia devono essere riforniti regolarmente, e quell'operazione offre un'opportunità per l'ispezione umana, ma le future generazioni di reattori nucleari potrebbero funzionare fino a 30 anni senza rifornimento. La simulazione ha mostrato che i reattori raffreddati al sodio possono essere monitorati anche utilizzando rivelatori di antineutrino, sebbene le loro firme saranno diverse da quelle dell'attuale generazione di reattori ad acqua pressurizzata.

Tra le sfide future c'è la riduzione delle dimensioni dei rivelatori di antineutrino per renderli abbastanza portatili da poter essere inseriti in un veicolo che potrebbe essere guidato oltre un reattore nucleare. I ricercatori vogliono anche migliorare la direzionalità dei rilevatori per mantenerli concentrati sulle emissioni dal nocciolo del reattore per aumentare la loro capacità di rilevare anche piccoli cambiamenti.

Il principio di rilevamento è concettualmente simile a quello delle scansioni retiniche utilizzate per la verifica dell'identità. Nelle scansioni retiniche, un raggio infrarosso attraversa la retina e i vasi sanguigni di una persona, che sono distinguibili per il loro maggiore assorbimento della luce rispetto ad altri tessuti. Queste informazioni sulla mappatura vengono quindi estratte e confrontate con una scansione retinica eseguita in precedenza e archiviate in un database. Se i due coincidono, l'identità della persona può essere verificata.

Allo stesso modo, un reattore nucleare emette continuamente antineutrini che variano in flusso e spettro con i particolari isotopi del combustibile sottoposti a fissione. Alcuni antineutrini interagiscono in un rivelatore vicino tramite decadimento beta inverso. Il segnale misurato da quel rivelatore viene confrontato con una copia di riferimento memorizzata in un database per il relativo reattore, carburante iniziale e esaurimento; un segnale che corrisponda sufficientemente alla copia di riferimento indicherebbe che l'inventario principale non è stato alterato di nascosto. Però, se il flusso di antineutrino di un reattore perturbato è sufficientemente diverso da quanto ci si aspetterebbe, che potrebbe indicare che è avvenuta una diversione.

I tassi di emissione delle particelle di antineutrino a diverse energie variano con la vita operativa poiché i reattori passano dalla combustione dell'uranio al plutonio. Il segnale di un reattore ad acqua pressurizzata consiste in un ciclo di funzionamento ripetuto di 18 mesi con un intervallo di rifornimento di tre mesi, mentre il segnale da un reattore veloce a ciclo ultra lungo (UCFR) rappresenterebbe un funzionamento continuo, escluse le interruzioni di manutenzione.

Prevenire la proliferazione di materiali nucleari speciali adatti alle armi è una preoccupazione a lungo termine dei ricercatori di molte agenzie e organizzazioni diverse, ha detto Erickson.

"Va dall'estrazione di materiale nucleare allo smaltimento di materiale nucleare, e in ogni fase di quel processo, dobbiamo preoccuparci di chi lo gestisce e se potrebbe finire nelle mani sbagliate, " ha spiegato. "Il quadro è più complicato perché non vogliamo impedire l'uso di materiali nucleari per la produzione di energia perché il nucleare è un grande contributo per l'energia senza carbonio".

Il documento mostra la fattibilità della tecnica e dovrebbe incoraggiare il continuo sviluppo di tecnologie di rilevamento, ha detto Erickson.

"Uno dei punti salienti della ricerca è un'analisi dettagliata della deviazione a livello di assemblaggio che è fondamentale per la nostra comprensione dei limiti sui rivelatori di antineutrino e delle potenziali implicazioni per la politica che potrebbe essere implementata, " ha detto. "Penso che il documento incoraggerà le persone a esaminare i sistemi futuri in modo più dettagliato".