A tecnologia para medir o fluxo de partículas subatômicas conhecidas como antineutrinos de reatores nucleares pode permitir o monitoramento remoto contínuo projetado para detectar mudanças de combustível que possam indicar o desvio de materiais nucleares. O monitoramento pode ser feito de fora do vaso do reator, e a tecnologia pode ser sensível o suficiente para detectar a substituição de um único conjunto de combustível.

A tecnica, que poderia ser usado com reatores de água pressurizada existentes, bem como projetos futuros que deverão exigir reabastecimento menos frequente, poderia complementar outras técnicas de monitoramento, incluindo a presença de inspetores humanos. A utilidade potencial da técnica de monitoramento antineutrino acima do solo para reatores atuais e futuros foi confirmada por meio de extensas simulações feitas por pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia.

"Os detectores Antineutrino oferecem uma solução para aplicações contínuas, verificação em tempo real do que está acontecendo dentro de um reator nuclear, sem realmente ter que estar no núcleo do reator, "disse Anna Erickson, professor associado da George W. Woodruff School of Mechanical Engineering da Georgia Tech. "Você não pode proteger antineutrinos, então, se o estado que dirige um reator decidir usá-lo para propósitos nefastos, eles não podem nos impedir de ver que houve uma mudança nas operações do reator. "

A pesquisa, a ser relatado em 6 de agosto no jornal Nature Communications , foi parcialmente apoiado por uma doação da Nuclear Regulatory Commission (NRC). A pesquisa avaliou dois tipos de reatores, e tecnologia de detecção de antineutrino baseada em um detector PROSPECT atualmente implantado no Reator de Isótopos de Alto Fluxo (HFIR) do Oak Ridge National Laboratory.

Antineutrinos são partículas subatômicas elementares com uma massa infinitesimalmente pequena e sem carga elétrica. Eles são capazes de passar pela blindagem em torno de um núcleo de reator nuclear, onde são produzidos como parte do processo de fissão nuclear. O fluxo de antineutrinos produzidos em um reator nuclear depende do tipo de materiais de fissão e do nível de potência em que o reator é operado.

"Os reatores nucleares tradicionais acumulam lentamente plutônio 239 em seus núcleos como consequência da absorção de nêutrons pelo urânio 238, deslocando a reação de fissão de urânio 235 para plutônio 239 durante o ciclo de combustível. Podemos ver que na assinatura das mudanças de emissão de antineutrino ao longo do tempo, "Disse Erickson." Se o combustível for trocado por uma nação desonesta que tenta desviar o plutônio para armas substituindo os conjuntos de combustível, devemos ser capazes de ver isso com um detector capaz de medir até mesmo pequenas mudanças nas assinaturas. "

A assinatura antineutrino do combustível pode ser tão única quanto uma varredura retinal, e como a assinatura muda ao longo do tempo pode ser prevista usando simulações, ela disse. "Poderíamos então verificar se o que vemos com o detector de antineutrino corresponde ao que esperaríamos ver."

Na pesquisa, Erickson e recente Ph.D. os graduados Christopher Stewart e Abdalla Abou-Jaoude usaram simulações de computador de alta fidelidade para avaliar as capacidades dos detectores de antineutrino de campo próximo que estariam localizados próximos - mas não dentro - dos vasos de contenção do reator. Entre os desafios está a distinção entre partículas geradas por fissão e aquelas de fundo natural.

“Gostaríamos de medir a energia, posição e tempo para determinar se a detecção foi um antineutrino do reator ou outra coisa, "disse ela." Antineutrinos são difíceis de detectar e não podemos fazer isso diretamente. Essas partículas têm uma chance muito pequena de interagir com um núcleo de hidrogênio, portanto, contamos com esses prótons para converter os antineutrinos em pósitrons e nêutrons. "

Os reatores nucleares agora usados ​​para geração de energia devem ser reabastecidos regularmente, e essa operação oferece uma oportunidade para inspeção humana, mas as futuras gerações de reatores nucleares podem operar por até 30 anos sem reabastecimento. A simulação mostrou que reatores resfriados a sódio também podem ser monitorados usando detectores de antineutrino, embora suas assinaturas sejam diferentes daquelas da atual geração de reatores de água pressurizada.

Entre os desafios futuros está a redução do tamanho dos detectores de antineutrino para torná-los portáteis o suficiente para caber em um veículo que poderia passar por um reator nuclear. Os pesquisadores também querem melhorar a direcionalidade dos detectores para mantê-los focados nas emissões do núcleo do reator para aumentar sua capacidade de detectar até mesmo pequenas mudanças.

O princípio de detecção é semelhante em conceito ao das varreduras de retina usadas para verificação de identidade. Em varreduras de retina, um feixe infravermelho atravessa a retina de uma pessoa e os vasos sanguíneos, que são distinguíveis por sua maior absorção de luz em relação a outro tecido. Essas informações de mapeamento são então extraídas e comparadas a uma varredura de retina feita anteriormente e armazenada em um banco de dados. Se os dois combinarem, a identidade da pessoa pode ser verificada.

De forma similar, um reator nuclear emite continuamente antineutrinos que variam em fluxo e espectro com os isótopos de combustível particulares em fissão. Alguns antineutrinos interagem em um detector próximo via decaimento beta inverso. O sinal medido por esse detector é comparado a uma cópia de referência armazenada em um banco de dados para o reator relevante, combustível inicial e queima; um sinal que corresponda suficientemente à cópia de referência indicaria que o inventário principal não foi alterado secretamente. Contudo, se o fluxo de antineutrino de um reator perturbado for suficientemente diferente do que seria esperado, isso pode indicar que um desvio ocorreu.

As taxas de emissão de partículas de antineutrino em energias diferentes variam com a vida útil, à medida que os reatores mudam da queima de urânio para plutônio. O sinal de um reator de água pressurizada consiste em um ciclo operacional repetido de 18 meses com um intervalo de reabastecimento de três meses, enquanto o sinal de um reator de ciclo ultralongo rápido (UCFR) representaria a operação contínua, excluindo interrupções de manutenção.

Prevenir a proliferação de materiais nucleares especiais adequados para armas é uma preocupação de longo prazo dos pesquisadores de muitas agências e organizações diferentes, Erickson disse.

“Vai desde a mineração de material nuclear até o descarte de material nuclear, e em cada etapa desse processo, temos que nos preocupar com quem está lidando com isso e se pode cair nas mãos erradas, "Ela explicou." O quadro é mais complicado porque não queremos impedir o uso de materiais nucleares para geração de energia porque a energia nuclear é um grande contribuinte para a energia sem carbono. "

O artigo mostra a viabilidade da técnica e deve encorajar o desenvolvimento contínuo de tecnologias de detectores, Erickson disse.

"Um dos destaques da pesquisa é uma análise detalhada do desvio de nível de montagem que é fundamental para nossa compreensão das limitações dos detectores de antineutrino e as implicações potenciais para a política que poderia ser implementada, "disse ela." Acho que o artigo vai encorajar as pessoas a olhar para os sistemas futuros com mais detalhes. "