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反中微子探测可以帮助远程监测核反应堆

日期:2019-08-08    来源:中国新能源网

国际新能源网

2019
08/08
17:43

关键词: 反中微子探测 核反应堆 核能

   用于测量核反应堆中亚原子粒子(即反中微子)流动的Close技术,可以实现连续的远程监控,旨在检测可能表明核材料转移的燃料变化。监测可以从反应堆容器外部进行,而且该技术可能足够敏感,可以检测到单个燃料组件是否需要替换。
  该技术可用于现有的压水堆,也可用于未来预计不需要频繁添加燃料的设计。该技术可作为其他监测技术的补充,包括派人检查。佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的研究人员进行了大量模拟,证实了地面反中微子监测技术对当前和未来反应堆的潜在用途。
  佐治亚理工大学乔治·w·伍德拉夫机械工程学院副教授安娜·埃里克森说,反中微子探测器提供了一种解决方案,可以连续、实时地验证核反应堆内部发生了什么,而不必真的进入反应堆核心。你不能屏蔽反中微子,所以如果运行反应堆的国家决定将其用于邪恶的目的,他们不能阻止我们看到反应堆的运行发生了变化。
  这项将于8月6日发表在《自然通讯》杂志上的研究得到了美国核管理委员会(NRC)的部分资助。该研究评估了两种类型的反应堆,以及基于橡树岭国家实验室高通量同位素反应堆(HFIR)的前景探测器的反中微子检测技术。
  反中微子是一种基本的亚原子粒子,它的质量极小,没有电荷。它们能够穿过核反应堆核心周围的屏蔽层,核反应堆核心是核裂变过程的一部分。核反应堆中产生的反中微子的通量取决于裂变材料的类型和反应堆运行的功率水平。
  由于铀238吸收中子,传统的核反应堆会在其核心缓慢地积累钚239,从而在燃料循环期间将裂变反应从铀235转移到钚239。埃里克森说:“我们可以看到,随着时间的推移,反中微子排放的特征会发生变化。如果一个无赖国家试图通过更换燃料组件来转移用于武器的钚来改变燃料,我们应该能够看到,用一个能够测量微小变化的探测器就可以做到这一点。
  她说,这种燃料的反中微子特征可以像视网膜扫描一样独特,而且可以通过模拟来预测这种特征随时间的变化。然后,我们可以验证我们所看到的反中微子探测器与我们所期望看到的相符。
  在这项研究中,埃里克森和新近毕业的博士克里斯托弗·斯图尔特(Christopher Stewart)以及阿卜杜拉·阿布-贾德(Abdalla abu - jaoude)利用高保真度计算机模拟技术,评估了近场反中微子探测器的能力。挑战之一是区分裂变产生的粒子和来自自然背景的粒子。
  她说:“我们将测量能量、位置和时间,以确定探测到的是来自反应堆的反中微子还是其他物质。”反中微子很难探测到,我们不能直接做到这一点。这些粒子与氢原子核相互作用的几率非常小,所以我们依靠这些质子将反中微子转化为正电子和中子。”
  目前用于发电的核反应堆必须定期补充燃料,这种操作为人类检查提供了机会,但未来几代核反应堆可能长达30年不补充燃料。模拟结果表明,钠冷反应堆也可以使用反中微子探测器进行监测,尽管它们的特征与目前的压水堆有所不同。
  未来面临的挑战之一是缩小反中微子探测器的尺寸,使其足够便携,能够装进一辆可能经过核反应堆的汽车里。研究人员还希望改进探测器的方向性,使它们能够专注于反应堆核心的排放,从而提高它们探测微小变化的能力。
  检测原理在概念上类似于用于身份验证的视网膜扫描。在视网膜扫描中,红外线光束穿过人的视网膜和血管,与其他组织相比,视网膜和血管具有更高的光吸收能力。然后提取这些映射信息,并与之前进行的视网膜扫描进行比较,然后存储在数据库中。如果两者匹配,则可以验证人员身份。
  类似地,核反应堆不断地释放反中微子,这些反中微子的通量和光谱随着特定的燃料同位素裂变而变化。一些反中微子通过反向衰变与附近的探测器相互作用。将该检测器所测得的信号与数据库中存储的有关反应堆、初始燃料和燃料损耗的参考副本进行比较;如果一个信号与参考副本完全匹配,则表明核心库存没有被秘密地更改。然而,如果受扰反应堆的反中微子通量与预期有足够的不同,这可能表明已经发生了转移。
  当反应堆从燃烧铀转向钚时,不同能量下的反中微子的排放率随运行寿命而变化。从压水堆发出的信号包括一个重复的18个月的运行周期和三个月的换料间隔,而从超长周期快中子反应堆(UCFR)发出的信号则代表连续运行,不包括维护中断。
  埃里克森说,防止适用于武器的特殊核材料的扩散是许多不同机构和组织的研究人员长期关注的问题。
  她说:“从开采核材料一直到处理核材料,在这个过程的每一步,我们都必须关注谁在处理这些核材料,以及这些核材料是否会落入不法之手。实际情况更为复杂,因为我们不想阻止使用核材料发电,因为核能对非碳能源的贡献很大。”
  埃里克森说,这篇论文显示了该技术的可行性,应该鼓励探测器技术的持续发展。
  她说:“这项研究的重点之一是详细分析在组装层面的转移,这对我们了解反中微子探测器的局限性以及可能实施的政策的潜在影响至关重要。我认为这篇论文将鼓励人们更详细地研究未来的系统。”

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