31. Нейтринный томограф для ядерного реактора
Давайте теперь перейдем от фундаментальной ядерной физики — к ядерной энергетике.
Для оптимального функционирования ядерного реактора желательно научиться напрямую «видеть», что происходит внутри активной зоны работающего реактора. Причем следить за состоянием активной зоны хотелось бы с хорошим пространственным разрешением (десятки сантиметров) и более-менее оперативно, на временах хотя бы порядка суток. Знание того, насколько равномерно по объему активной зоны выгорает ядерное топливо, важно не только для безопасности работы реактора, но и с финансовой точки зрения. Оно позволяет оптимизировать работу реактора и повысить эффективность выгорания ядерного топлива.
Физическая проблема тут заключается в том, что в ядерный реактор просто так не заглянешь. Прямо внутри реактора обычные датчики температуры не выживут, а ставить их снаружи бессмысленно из-за мощной защитной изоляции активной зоны. Существует, конечно, аппаратура контроля нейтронного потока, но она позволяет лишь следить за общей мощностью реактора, а восстанавливать по ее показаниям объемную неравномерность выгорания топлива можно лишь очень опосредованно.
Рис. 1. Калининская АЭС — первая российская АЭС, на которой опробована методика нейтринной томографии активной зоны
Для прямого дистанционного наблюдения за активной зоной приходится использовать частицы со сверхвысокой проникающей способностью, и естественным кандидатом для этого являются нейтрино. Нейтрино — это частицы с уникальной проникающей способностью; они могут пролететь всю Землю насквозь, ни разу не столкнувшись ни с одним атомом. Так получается потому, что нейтрино чувствуют только слабое взаимодействие, а оно, как мы уже знаем из предыдущей задачи, очень короткодействующее (а для нейтрино низких энергий радиус взаимодействия и того меньше). Если теперь, вооружившись опытом, накопленным в задаче «Размер ядра», подсчитать длину свободного пробега нейтрино в веществе, то она окажется просто астрономической.
Так вот, эти нейтрино — а точнее, их античастицы антинейтрино — в изобилии рождаются в ядерном реакторе. Они вылетают из активной зоны и разлетаются во все стороны, не замечая ни стенки реактора, ни окружающие постройки, ни Землю. Лишь в очень редком случае нейтрино натыкается все же на какой-то атом окружающего вещества и инициирует ядерную реакцию — именно так нейтрино и ловят в детекторах. Вероятность подобного события очень мала, однако нейтринный поток от реактора огромен. Поэтому достаточно крупный детектор сможет не только надежно зарегистрировать реакторные нейтрино, но и аккуратно измерить этот поток. Если несколько таких детекторов поставить с разных сторон реактора (см. рис. 2), то, сравнивая их показания, можно будет провести томографию активной зоны реактора — то есть выяснить, насколько однородно там выгорает топливо.
Возьмем для примера реактор ВВЭР-1000 размером 3 м и тепловой мощностью 3 ГВт. Внутри него происходит деление ядер урана. При каждом делении выделяется энергия и вылетают нейтрино. Будем считать, что на один акт деления ядра урана испускается в среднем пять нейтрино. Из соображений безопасности детектор можно располагать не ближе 10 м от центра активной зоны. Сам детектор будем считать идеальным: если уж летящее сквозь него нейтрино столкнулось с каким-то атомом внутри рабочего тела детектора, то он с вероятностью 100% зарегистрирует это событие. Для конкретики пусть рабочим веществом детектора у нас будет пластиковый сцинтиллятор (в нем много атомов водорода), а детектируются нейтрино за счет обратного бета-распада (то есть при столкновении антинейтрино с ядром атома водорода). Подчеркнем, что в диапазоне энергий реакторных нейтрино детектор может лишь «почувствовать» сам факт нейтринного столкновения, но не направление, с которого нейтрино прилетело.
Рис. 2. Сравнивая темп регистрации нейтринных событий в нескольких одинаковых нейтринных детекторах, установленных с разных сторон реактора, можно отличать ситуации однородного (слева) и неоднородного (справа) выгорания топлива
Задача
Оцените размер нейтринного детектора, который позволит в течение часа зафиксировать сильно неоднородное выгорание топлива в активной зоне реактора. Необходимые характеристики реакции деления ядер урана и взаимодействия нейтрино с веществом найдите в интернете.
