Le principe de la vérification du fonctionnement du réacteur avec des moniteurs d'antineutrinos. Le processus de vérification de l'intégrité de l'inventaire du réacteur avec des antineutrinos présente des similitudes avec les analyses biométriques telles que la vérification de l'identité rétinienne. Crédit :Georgia Tech
La technologie permettant de mesurer le flux de particules subatomiques connues sous le nom d'antineutrinos provenant de réacteurs nucléaires pourrait permettre une surveillance continue à distance conçue pour détecter les changements de combustible qui pourraient indiquer le détournement de matières nucléaires. La surveillance pourrait se faire depuis l'extérieur de la cuve du réacteur, et la technologie peut être suffisamment sensible pour détecter la substitution d'un seul assemblage combustible.
La technique, qui pourraient être utilisés avec les réacteurs à eau sous pression existants ainsi que les futures conceptions devant nécessiter des recharges moins fréquentes, pourrait compléter d'autres techniques de surveillance, y compris la présence d'inspecteurs humains. L'utilité potentielle de la technique de surveillance des antineutrinos en surface pour les réacteurs actuels et futurs a été confirmée par des simulations approfondies effectuées par des chercheurs du Georgia Institute of Technology.
"Les détecteurs d'antineutrinos offrent une solution pour vérification en temps réel de ce qui se passe dans un réacteur nucléaire sans avoir à se trouver dans le cœur du réacteur, " a déclaré Anna Erickson, professeur agrégé à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering de Georgia Tech. "Vous ne pouvez pas protéger les antineutrinos, donc si l'État qui gère un réacteur décide de l'utiliser à des fins néfastes, ils ne peuvent pas nous empêcher de voir qu'il y a eu un changement dans le fonctionnement des réacteurs."
La recherche, à paraître le 6 août dans le journal Communication Nature , a été financé en partie par une subvention de la Commission de réglementation nucléaire (NRC). La recherche a évalué deux types de réacteurs, et la technologie de détection des antineutrinos basée sur un détecteur PROSPECT actuellement déployé au réacteur à isotope à haut flux (HFIR) du Laboratoire national d'Oak Ridge.
Les antineutrinos sont des particules subatomiques élémentaires avec une masse infiniment petite et aucune charge électrique. Ils sont capables de traverser un blindage autour d'un coeur de réacteur nucléaire, où ils sont produits dans le cadre du processus de fission nucléaire. Le flux d'antineutrinos produits dans un réacteur nucléaire dépend du type de matières de fission et du niveau de puissance auquel le réacteur est exploité.
« Les réacteurs nucléaires traditionnels accumulent lentement du plutonium 239 dans leur cœur en raison de l'absorption de neutrons par l'uranium 238, déplacer la réaction de fission de l'uranium 235 au plutonium 239 au cours du cycle du combustible. Nous pouvons voir que dans la signature de l'émission d'antineutrinos change au cours du temps, " a déclaré Erickson. " Si le combustible est changé par une nation voyou essayant de détourner le plutonium pour les armes en remplaçant les assemblages combustibles, nous devrions pouvoir le voir avec un détecteur capable de mesurer même de petits changements dans les signatures."
La signature antineutrino du carburant peut être aussi unique qu'un scan rétinien, et comment la signature change au fil du temps peut être prédite à l'aide de simulations, elle a dit. "Nous pourrions alors vérifier que ce que nous voyons avec le détecteur d'antineutrinos correspond à ce que nous nous attendrions à voir."
Dans la recherche, Erickson et récent doctorat. Les diplômés Christopher Stewart et Abdalla Abou-Jaoude ont utilisé des simulations informatiques haute fidélité pour évaluer les capacités des détecteurs d'antineutrinos en champ proche qui seraient situés à proximité, mais pas à l'intérieur, des cuves de confinement des réacteurs. Parmi les défis figure la distinction entre les particules générées par la fission et celles provenant du fond naturel.
"On mesurerait l'énergie, position et synchronisation pour déterminer si une détection était un antineutrino du réacteur ou autre chose, " dit-elle. " Les antineutrinos sont difficiles à détecter et nous ne pouvons pas le faire directement. Ces particules ont une très faible chance d'interagir avec un noyau d'hydrogène, nous comptons donc sur ces protons pour convertir les antineutrinos en positons et neutrons."
Ces images comparent l'évolution du spectre des antineutrinos et de la réponse du détecteur d'antineutrinos en fonction du temps de fonctionnement du réacteur dans un réacteur à eau sous pression et un réacteur rapide à cycle ultra-long. Crédit :Georgia Tech
Les réacteurs nucléaires actuellement utilisés pour la production d'électricité doivent être rechargés régulièrement, et cette opération offre une opportunité d'inspection humaine, mais les générations futures de réacteurs nucléaires peuvent fonctionner jusqu'à 30 ans sans ravitaillement. La simulation a montré que les réacteurs refroidis au sodium pouvaient également être surveillés à l'aide de détecteurs d'antineutrinos, bien que leurs signatures soient différentes de celles de la génération actuelle de réacteurs à eau sous pression.
L'un des défis à venir est de réduire la taille des détecteurs d'antineutrinos pour les rendre suffisamment portables pour tenir dans un véhicule qui pourrait passer devant un réacteur nucléaire. Les chercheurs souhaitent également améliorer la directionnalité des détecteurs pour qu'ils restent concentrés sur les émissions du cœur du réacteur afin d'augmenter leur capacité à détecter même de petits changements.
Le principe de détection est similaire dans son concept à celui des scans rétiniens utilisés pour la vérification d'identité. Dans les scans rétiniens, un faisceau infrarouge traverse la rétine d'une personne et les vaisseaux sanguins, qui se distinguent par leur absorption lumineuse plus élevée par rapport aux autres tissus. Ces informations cartographiques sont ensuite extraites et comparées à un scan rétinien effectué précédemment et stocké dans une base de données. Si les deux correspondent, l'identité de la personne peut être vérifiée.
De la même manière, un réacteur nucléaire émet en continu des antineutrinos dont le flux et le spectre varient en fonction des isotopes du combustible soumis à la fission. Certains antineutrinos interagissent dans un détecteur voisin via la désintégration bêta inverse. Le signal mesuré par ce détecteur est comparé à une copie de référence stockée dans une base de données pour le réacteur concerné, combustible initial et taux de combustion; un signal qui correspond suffisamment à la copie de référence indiquerait que l'inventaire de base n'a pas été secrètement modifié. Cependant, si le flux d'antineutrinos d'un réacteur perturbé est suffisamment différent de ce qui serait attendu, cela pourrait indiquer qu'une diversion a eu lieu.
Les taux d'émission de particules d'antineutrinos à différentes énergies varient avec la durée de vie, à mesure que les réacteurs passent de la combustion d'uranium au plutonium. Le signal d'un réacteur à eau sous pression consiste en un cycle de fonctionnement répété de 18 mois avec un intervalle de remplissage de trois mois, tandis que le signal d'un réacteur rapide à cycle ultra-long (UCFR) représenterait un fonctionnement continu, hors interruptions de maintenance.
Empêcher la prolifération de matières nucléaires spéciales convenant à la fabrication d'armes est une préoccupation à long terme des chercheurs de nombreuses agences et organisations différentes, dit Erickson.
« Cela va de l'extraction de matières nucléaires à l'élimination des matières nucléaires, et à chaque étape de ce processus, nous devons nous préoccuper de savoir qui s'en occupe et s'il risque de tomber entre de mauvaises mains, " a-t-elle expliqué. " Le tableau est plus compliqué parce que nous ne voulons pas empêcher l'utilisation de matières nucléaires pour la production d'électricité car le nucléaire est un gros contributeur à l'énergie non carbonée. "
L'article montre la faisabilité de la technique et devrait encourager le développement continu des technologies de détection, dit Erickson.
"L'un des points saillants de la recherche est une analyse détaillée du détournement au niveau de l'assemblage qui est essentielle à notre compréhension des limites des détecteurs d'antineutrinos et des implications potentielles pour les politiques qui pourraient être mises en œuvre, ", a-t-elle déclaré. "Je pense que le document encouragera les gens à examiner plus en détail les futurs systèmes."
