La tecnología para medir el flujo de partículas subatómicas conocidas como antineutrinos de los reactores nucleares podría permitir un monitoreo remoto continuo diseñado para detectar cambios de combustible que podrían indicar la desviación de materiales nucleares. El seguimiento podría realizarse desde el exterior de la vasija del reactor, y la tecnología puede ser lo suficientemente sensible como para detectar la sustitución de un solo conjunto de combustible.

La técnica, que podría usarse con reactores de agua a presión existentes, así como con diseños futuros que se espera requieran un reabastecimiento de combustible menos frecuente, podría complementar otras técnicas de seguimiento, incluida la presencia de inspectores humanos. La utilidad potencial de la técnica de monitoreo de antineutrinos en la superficie para los reactores actuales y futuros se confirmó mediante extensas simulaciones realizadas por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia.

"Los detectores de antineutrinos ofrecen una solución para Verificación en tiempo real de lo que está sucediendo dentro de un reactor nuclear sin tener que estar realmente en el núcleo del reactor. "dijo Anna Erickson, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff de Georgia Tech. "No se puede proteger a los antineutrinos, por lo que si el estado que maneja un reactor decide usarlo para propósitos nefastos, no pueden evitar que veamos que hubo un cambio en las operaciones de los reactores ".

La investigación, se informará el 6 de agosto en la revista Comunicaciones de la naturaleza , fue parcialmente financiado por una subvención de la Comisión Reguladora Nuclear (NRC). La investigación evaluó dos tipos de reactores, y tecnología de detección de antineutrinos basada en un detector PROSPECT actualmente desplegado en el Reactor de Isótopos de Alto Flujo (HFIR) del Laboratorio Nacional Oak Ridge.

Los antineutrinos son partículas subatómicas elementales con una masa infinitesimalmente pequeña y sin carga eléctrica. Son capaces de atravesar el blindaje alrededor del núcleo de un reactor nuclear, donde se producen como parte del proceso de fisión nuclear. El flujo de antineutrinos producido en un reactor nuclear depende del tipo de materiales de fisión y del nivel de potencia al que opera el reactor.

"Los reactores nucleares tradicionales acumulan lentamente plutonio 239 en sus núcleos como consecuencia de la absorción de neutrones por uranio 238, cambiar la reacción de fisión del uranio 235 al plutonio 239 durante el ciclo del combustible. Podemos ver que en la firma de los cambios de emisión de antineutrinos con el tiempo, ", Dijo Erickson." Si el combustible es cambiado por una nación rebelde que intenta desviar plutonio para armas reemplazando los conjuntos de combustible, deberíamos poder ver eso con un detector capaz de medir incluso pequeños cambios en las firmas ".

La firma de antineutrinos del combustible puede ser tan única como un escaneo de retina, y cómo se pueden predecir los cambios de firma a lo largo del tiempo mediante simulaciones, ella dijo. "Luego pudimos verificar que lo que vemos con el detector de antineutrinos coincide con lo que esperaríamos ver".

En la investigación, Erickson y un reciente Ph.D. Los graduados Christopher Stewart y Abdalla Abou-Jaoude utilizaron simulaciones por computadora de alta fidelidad para evaluar las capacidades de los detectores de antineutrinos de campo cercano que se ubicarían cerca, pero no dentro, de los recipientes de contención del reactor. Entre los desafíos está distinguir entre las partículas generadas por fisión y las de origen natural.

"Mediríamos la energía, posición y momento para determinar si una detección fue un antineutrino del reactor o algo más, ", dijo." Los antineutrinos son difíciles de detectar y no podemos hacer eso directamente. Estas partículas tienen una probabilidad muy pequeña de interactuar con un núcleo de hidrógeno, por lo que confiamos en esos protones para convertir los antineutrinos en positrones y neutrones ".

Los reactores nucleares que ahora se utilizan para la generación de energía deben reabastecerse de combustible con regularidad. y esa operación brinda una oportunidad para la inspección humana, pero las generaciones futuras de reactores nucleares pueden funcionar hasta 30 años sin repostar. La simulación mostró que los reactores refrigerados por sodio también podrían monitorearse usando detectores de antineutrinos, aunque sus firmas serán diferentes a las de la actual generación de reactores de agua a presión.

Entre los desafíos que tenemos por delante está la reducción del tamaño de los detectores de antineutrinos para que sean lo suficientemente portátiles como para caber en un vehículo que pueda pasar frente a un reactor nuclear. Los investigadores también quieren mejorar la direccionalidad de los detectores para mantenerlos enfocados en las emisiones del núcleo del reactor para aumentar su capacidad de detectar incluso pequeños cambios.

El principio de detección es similar en concepto al de los escáneres de retina utilizados para la verificación de identidad. En exploraciones de retina, un rayo infrarrojo atraviesa la retina de una persona y los vasos sanguíneos, que se distinguen por su mayor absorción de luz en relación con otros tejidos. Esta información de mapeo luego se extrae y se compara con un escaneo de retina tomado anteriormente y se almacena en una base de datos. Si los dos coinciden, se puede verificar la identidad de la persona.

Similar, un reactor nuclear emite continuamente antineutrinos que varían en flujo y espectro con los isótopos de combustible particulares que se someten a fisión. Algunos antineutrinos interactúan en un detector cercano a través de la desintegración beta inversa. La señal medida por ese detector se compara con una copia de referencia almacenada en una base de datos para el reactor correspondiente. combustible inicial y quemado; una señal que coincida suficientemente con la copia de referencia indicaría que el inventario básico no ha sido alterado de forma encubierta. Sin embargo, si el flujo de antineutrinos de un reactor perturbado es suficientemente diferente de lo que se esperaría, eso podría indicar que se ha producido una desviación.

Las tasas de emisión de partículas de antineutrino a diferentes energías varían con la vida útil de funcionamiento a medida que los reactores pasan de la combustión de uranio a plutonio. La señal de un reactor de agua a presión consiste en un ciclo de funcionamiento repetido de 18 meses con un intervalo de repostaje de tres meses, mientras que la señal de un reactor rápido de ciclo ultralargo (UCFR) representaría un funcionamiento continuo, excluidas las interrupciones de mantenimiento.

La prevención de la proliferación de materiales nucleares especiales aptos para armas es una preocupación a largo plazo de los investigadores de muchos organismos y organizaciones diferentes. Dijo Erickson.

"Va desde la extracción de material nuclear hasta la eliminación de material nuclear, y en cada paso de ese proceso, debemos preocuparnos por quién lo está manejando y si podría llegar a las manos equivocadas, ", explicó." El panorama es más complicado porque no queremos evitar el uso de materiales nucleares para la generación de energía porque la energía nuclear es un gran contribuyente a la energía sin carbono ".

El documento muestra la viabilidad de la técnica y debería fomentar el desarrollo continuo de tecnologías de detectores. Dijo Erickson.

"Uno de los aspectos más destacados de la investigación es un análisis detallado de la desviación a nivel de ensamblaje que es fundamental para comprender las limitaciones de los detectores de antineutrinos y las posibles implicaciones para las políticas que podrían implementarse, ", dijo." Creo que el documento animará a la gente a estudiar los sistemas futuros con más detalle ".