Предлагаемый детектор антинейтрино мог бы обеспечить регулирующим органам раннее предупреждение в случае ненадлежащего использования будущих термоядерных электростанций.
Одним из главных преимуществ термоядерной энергетики является ее отличие от традиционной ядерной энергетики.
В отличие от современных ядерных реакторов, которые используют урановое топливо и производят материалы, которые могут быть связаны с программами создания ядерного оружия, термоядерные установки часто представляются как более чистая и безопасная альтернатива.
Однако, поскольку правительства и компании вкладывают миллиарды долларов в обеспечение коммерческой жизнеспособности термоядерного синтеза, некоторые исследователи задаются насущным вопросом: как гарантировать, что будущие термоядерные электростанции будут использоваться в точности так, как заявлено?
Это важно, потому что, как отмечают исследователи, «термоядерные энергетические системы в принципе могут быть использованы для производства значительных объемов делящегося материала».
Новое исследование предполагает, что антинейтрино — мельчайшие частицы, образующиеся в ядерных реакциях, — могут выступать в качестве независимых свидетелей происходящего внутри термоядерного реактора. Если эта идея подтвердится, будущие инспекторы смогут выявлять попытки производства материалов, связанных с оружием, без вскрытия реактора или прерывания его работы.
Когда чистая энергия порождает неожиданные вопросы безопасности
Большинство разрабатываемых термоядерных реакторов основаны на реакции между двумя формами водорода, называемыми дейтерием и тритием. При слиянии этих атомных ядер высвобождается огромное количество энергии.
Они также испускают быстро движущиеся нейтроны, которые необходимы для извлечения этой энергии и преобразования её в электричество. Однако этим нейтронам всё равно, как они будут использованы.
Если бы уран-238 поместили вблизи зоны термоядерной реакции, часть нейтронов могла бы быть поглощена ураном. В результате последовательности ядерных превращений уран мог бы в конечном итоге превратиться в плутоний-239, один из материалов, пригодных для использования в ядерном оружии.
Такая возможность не означает, что термоядерные реакторы являются секретными заводами по производству оружия. Производство плутония таким способом потребовало бы целенаправленных действий. Тем не менее, регулирующие органы, как правило, предпочитают разрабатывать меры безопасности до того, как технология получит широкое распространение, а не после.
«Демонстрация методов, обеспечивающих своевременное выявление подобных случаев неправомерного использования, была бы чрезвычайно ценной в рамках усилий по гарантированию мирного использования систем термоядерной энергетики», — заявили авторы исследования.
Задача заключалась в поиске метода мониторинга, который мог бы надежно выявлять происходящее внутри реактора, не будучи при этом инвазивным или технически нецелесообразным.
Прислушиваясь к частицам, которые невозможно заглушить
Авторы исследования изучали, могут ли антинейтрино обеспечить такую возможность мониторинга.
Антинейтрино относятся к числу наиболее трудноуловимых частиц, известных науке.
Триллионы частиц проходят через человеческое тело каждую секунду, не оставляя следа. Поскольку они очень слабо взаимодействуют с материей, их практически невозможно заблокировать стенами, экранами или другими барьерами.
Это свойство превращает их в уникальный источник информации. Если бы производство плутония происходило внутри термоядерного реактора, то задействованные ядерные реакции генерировали бы характерный сигнал антинейтрино. В принципе, этот сигнал мог бы выявить активность, которую операторы могли бы попытаться скрыть.
Исследователи использовали компьютерное моделирование, чтобы проверить, можно ли обнаружить подобный сигнал на практике. Они смоделировали антинейтрино, ожидаемые от реакций образования плутония, и сравнили их с другими источниками фонового шума, включая сигналы, генерируемые во время нормальной работы реактора, и частицы, прибывающие из космоса.
Полученные результаты указывают на то, что разница должна быть измеримой. Согласно исследованию, относительно компактный детектор способен обнаружить образование всего нескольких килограммов плутония в течение примерно 30 дней.
В одном из рассмотренных исследователями сценариев производство 8 килограммов плутония за месяц привело к появлению сильного и легко обнаруживаемого сигнала антинейтрино. Этого количества достаточно, чтобы заблаговременно предупредить о происходящем необычном явлении.
«Наши результаты подтверждают, что даже детектор антинейтрино скромных размеров должен быть способен надежно и своевременно обнаруживать наличие фертильного материала во время работы», — добавили авторы исследования.
Не менее важно и то, что детектору не нужно будет располагаться внутри реакторного комплекса. Это связано с тем, что антинейтрино распространяются в веществе практически беспрепятственно; система мониторинга может работать извне установки, что снизит неудобства для операторов реактора.
Создание свода правил до прибытия реакторов.
В настоящее время не существует коммерческих термоядерных электростанций, работающих на основе дейтерия и трития, а это значит, что пока нет установки, где этот подход можно было бы протестировать в полноценных рабочих условиях. Поэтому исследователи полагались на моделирование, а не на реальные измерения.
Это ограничение также подчеркивает важность данного исследования в настоящее время. Разработчики термоядерных реакторов все еще работают над доказательством того, что их реакторы могут экономически выгодно производить электроэнергию.
Если им это удастся, правительствам и международным организациям в конечном итоге потребуется система мониторинга этой технологии. Создание таких гарантий после того, как сотни реакторов уже будут работать, будет гораздо сложнее.
Новая работа не решает всех вопросов, касающихся безопасности термоядерного синтеза, но предлагает практический способ проверки того, что будущие реакторы выполняют только то, что от них ожидается.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Applied.
Sourse: interestingengineering.com
