Русов В.Д., Тарасов В.А., Литвинов Д.А. Физика реакторных антинейтрино Изд. стереотип.

Оглавление

Предисловие

Несмотря на долгий, почти восьмилетний путь от лабораторных до технологических испытаний, в начале 1990-х годов усилиями российских и украинских ученых была создана уникальная ядерная технология контроля активной зоны – нейтринная дистанционная диагностика внутриреакторных процессов или, точнее говоря, метод нейтринной спектрометрии. В этом смысле, метод нейтринной спектрометрии является не просто новым, а, подчеркиваем, уникальным методом мониторинга и контроля основных физико-энергетических величин, характеризующих работу ядерного реактора. Уникальность его обусловлена противоречивой с точки зрения спектрометрии ядерных частиц природой физических свойств непосредственного свидетеля ядерной реакции деления – электронного антинейтрино: оно практически не имеет ни массы, ни электрического заряда, но обладает спином и импульсом. С одной стороны, последнее обстоятельство – отсутствие массы и заряда - предопределяет чрезвычайно малые по величине эффективные сечения ядерных реакций с участием нейтрино, но с другой – именно эти свойства обеспечивают ему уникальную проникающую способность, которая позволяет "обойти" искажающее влияние среды и независимо от расстояния в системе источник-детектор регистрировать нейтринные частицы-снаряды практически тождественные самим себе на момент рождения в процессе деления актиноида. Иначе говоря, форма функций распределения по энергиям или, иначе говоря, спектров антинейтрино в момент рождения в процессе акта деления актиноида в активной зоне и в момент регистрации в чувствительном объеме детектора, в отличие от нейтронов, практически одинакова.

Поэтому нейтринная спектрометрия, хотя и является технически достаточно сложным методом экспериментальной ядерной физики, обещает стать незаменимым средством и одновременно эффективным способом измерений как в реакторно-физическом эксперименте, так и в диагностике состояния активной зоны.

Принципиальные преимущества нейтринного метода дистанционного контроля и диагностики внутриреакторных процессов заключаются в том, что он позволяет дистанционно и практически безинерционно по набору последовательных выборок измеряемой величины – энергетического спектра позитронов – судить о динамике изменений мощности и энерговыработки ядерного реактора. Другими словами, метод позволяет, с одной стороны, в полном объеме дистанционно контролировать всю совокупность основных физико-энергетических параметров активной зоны реактора в режиме "on line", что, по существу, является главной задачей промышленной эксплуатации АЭС, а с другой – осуществлять дистанционный контроль несанкционированного производства оружейного плутония и распространения расшепляющихся материалов, предметно усиливая возможности целевой профилактики ядерного терроризма.

Особенно контрастно сильные стороны нейтринного метода проявляются в экстремальных случаях, когда дистанционный и одновременно безинерционный характер ядерно-физических измерений является чуть ли не сверхпреимуществом уникальной ядерной технологии контроля активной зоны. Например, в случаях дистанционного обнаружения и идентификации пространственного местоположения локального нестационарного энерговыделения, связанного с импульсным разгоном реактора или самопроизвольной цепной реакции в топливосодержащих массах.

Решающим фактором успешной реализации метода является решение проблемы дистанционной диагностики концентрационного состава ядерного топлива в режиме "on line" или, другими словами, решение задачи определения кинетики ядерной плотности каждого из компонент изотопного состава ядерного топлива в процессе работы реактора. В рамках экспериментальной нейтринной физики проблема сводится к задаче восстановления из экспериментального энергетического спектра "по месту регистрации" реакторных нейтрино "истинного" решения, а именно, восстановления величины вклада спектров антинейтрино "по месту рождения" каждого из делящихся актиноидов, которые входят в состав ядерного топлива. Проблема усиливается еще и тем, что задача относится к классу некорректных задач ядерной спектрометрии, при этом для успешного применения метода регуляризации по Тихонову необходимо хорошо определять погрешность измеряемой величины, т. е. иметь надежно установленные экспериментальные данные о типе статистики реакторных нейтрино. В монографии приводится решение такой обратной задачи, являющейся основной задачей метода нейтринной спектрометрии.

Очень важно отметить, что все указанные преимущества метода переносятся на задачи регистрации и спектрометрии нейтрино от радиоактивных источников, рождающихся в ядерных реакциях и/или сопровождающих процессы иной физической природы, чем ядерное деление топлива (актинидов). Начиная, например, от взрыва сверхновых и продолжая до реликтового нейтринного излучения. Если к этому добавить, что корреляционные методы анализа статистики регистрации реакторных антинейтрино открывают возможность регистрации нейтринных осцилляций и тем самым обеспечивают прямое изучение некоторых фундаментальних свойств электрослабого взаимодействия, потенциально связанных с новой физикой, выходящей за рамки стандартной модели, то становится очевидной актуальность рассмотрения современных проблем физики нейтрино низких энергий.

Настоящая монография посвящена теоретическим и экспериментальным основам метода спектрометрии нейтрино низких энергий и, в частности, реакторных антинейтрино, а также представлению и анализу уникальных возможностей применения этого метода, как в прикладных реакторных исследованиях, так и в рамках фундаментальных исследований, связанных с физикой электрослабых взаимодействий.

Представляемый материал естественным образом делится на три части. Первая часть, являющаяся в определенной степени опорной для чтения остальных двух частей, состоит из трех глав. В первой главе в доступной и сжатой форме излагается современное описание теоретических и экспериментальных основ нейтринной диагностики внутриреакторных процессов. Во второй главе обсуждаются некоторые вопросы теории beta-распада, в той мере, в какой они необходимы для понимания фундаментальных и прикладных задач физики реакторных антинейтрино. В третьей главе кратко рассмотрена теория рассеяния нейтрино низких энергий на нуклонах и основные методы расчета парциальных и суммарных beta- и nu-спектров радиоактивных нуклидов, а также эффективных nu-спектров продуктов деления урана и плутония и их смеси нейтронами спектра деления. Приведен анализ возможных погрешностей экспериментальных измерений beta-спектров, испускаемых осколками делений.

Вторая часть, к которой относится четвертая глава, посвящена постановке и решению прямой и обратной задач нейтринной спектрометрии внутриреакторных процессов. Обсуждаются возможности нейтринной диагностики при аварийных ситуациях на атомных станциях, а также рассмотрена кросс-корреляционная теории локации нейтринных источников искусственного и природного происхождения.

Третья часть, которой соответствуют пятая и шестая главы, является своеобразной демонстрацией чрезвычайной эффективности метода нейтринной спектрометрии в фундаментальных исследованиях "новой" физики электрослабых взаимодействий. В пятой главе, посвященной проблеме масс, смешивания и осцилляций реакторных антинейтрино, сделана попытка описать современные и будущие эксперименты, связанные с физикой реакторных антинейтрино, которые нацелены на решение фундаментальных задач глобальной физики массивных нейтрино. Обсуждается чрезвычайная важность реакторных экспериментов по идентификации неисчезающего смешивания двух массовых состояний в переходах 1 –> 3, которое возможно отвечает за нарушение СР-инвариантности и соответственно за выбор сценария генезиса лептонов, генерирующего скрытую асимметрию в общем балансе вещество-антивещество во Вселенной. Там же рассмотрены теоретические возможности каскадно-стохастических методов нейтринной диагностики внутриреакторных процессов (для постановки экспериментов по определению ограничений на параметры смешивания массивных нейтрино), отличающихся более тонким способом, чем это принято, извлечения дополнительной информации о физической природе сложной статистики реакторных антинейтрино. В конце главы на основе космологических и других данных обсуждаются современная оценка абсолютной шкалы масс нейтрино и их возможной иерархии.

И наконец, в шестой главе, на основе данных эксперимента KamLAND и, в частности, на основе экспериментальных спектров реакторных антинейтрино и фоновых расчетных спектров геоантинейтрино (от радиоактивных источников ²³⁸U, ²³²Th и ⁴⁰K, находящихся в интерьере Земли), анализируется возможность существования процесса медленного ядерного горения (геореактора мощностью 30 TW) на границе жидкой и твердой фаз ядра Земли, как дополнительного источника тепла, ядер ³Не и геоантинейтрино, который играет исключительную роль в "соблюдении" баланса тепла и ядер 3Не в интерьере Земли и геоантинейтрино – в соответствующих антинейтринных спектрах KamLAND-эксперимента. Отмечается, что нейтринная спектрометрия, начиная с эксперимента KamLAND, открывает новую страницу в исследовании внутренних областей Земли и в ближайшем будущем можно ожидать более точных и интригующих данных как от экспериментов KamLAND, так и от других планируемых в недалеком будущем независимых экспериментов.

В приложении дана таблица равновесных антинейтринных спектров смеси продуктов деления 60 актиноидов, большинство из которых представлены впервые.

В заключение хотелось бы отметить, что одной из главных целей авторов было желание написать такую книгу по физике реакторных нейтрино, которая после ее изучения позволила бы не только получить представление о проблемах и достижениях этой области субядерной физики, но подготовила бы "заядлого" читателя для осознанного, а значит эффективного использования материала книги при конструировании необходимых энергетических спектров реакторных антинейтрино, которые являются опорным и наиболее существенным элементом теоретической и прикладной нейтринной спектрометрии. Насколько это удалось, судить читателю. Поэтому монография предназначена в первую очередь для студентов, аспирантов и научных работников, специализирующихся в физике элементарных частиц и атомного ядра. Несомненно, она также будет полезна всем тем, кто интересуется проблемами фундаментальной науки.

Об авторах

Доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической и экспериментальной ядерной физики Одесского национального политехнического университета. Выпускник Московского инженерно-физического института (1978).

Область научных интересов – стохастическая ядерная динамика, физика элементарных частиц и высоких энергий, астрофизика, космические лучи и глобальный климат, проблема малых доз радиации в клетках эукариот.Автор книг "Восстановление изображений в электронно-микроскопической авторадиографии поверхности" (совм. с Ю.Ф.Бабиковой и A.Г.Яголой, 1991), "Введение в нелинейную теорию малых доз ионизирующего излучения" (совм. с Т.Н.Зеленцовой, 2002), "Астрофизическая модель глобального климата Земли" (совм. с А.В.Глушковым и В.Н.Ващенко, 2003).

Участник трех сезонных антарктических экспедиций (2002, 2003, 2005), где занимался постановкой и проведением многолетних экспериментов в области физики космических лучей при сверхвысоких энергиях, физики землетрясений, фрактальной физики аэрозолей и моделирования глобального климата Земли (Radiation. Meas., 86, 2005; Украинский Антарктический журнал, 4–5, 2006).

Виктор Алексеевич ТАРАСОВ

Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической и экспериментальной ядерной физики Одесского национального политехнического университета. Выпускник Московского инженерно-физического института (1979).

Область научных интересов – стохастическая ядерная динамика, физика элементарных частиц и высоких энергий, радиационная физика.

Дмитрий Александрович ЛИТВИНОВ

Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической и экспериментальной ядерной физики Одесского национального политехнического университета. Выпускник Одесского национального университета им. И.И.Мечникова (2000).

Область научных интересов – стохастическая ядерная динамика, физика элементарных частиц и высоких энергий, астрофизика.Участник двух зимовок на украинской антарктической станции "Академик Вернадский" (2005, 2007), где занимался проведением экспериментов в области физики космических лучей при сверхвысоких энергиях.