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 el desvío de materiales nucleares. El monitoreo podría realizarse desde fuera del recipiente del reactor, y la tecnología puedeser lo suficientemente sensible como para detectar la sustitución de un solo conjunto de combustible.
La técnica, que podría usarse con los reactores de agua a presión existentes, así como los diseños futuros que se espera que requieran un reabastecimiento de combustible menos frecuente, podría complementar otras técnicas de monitoreo, incluida la presencia de inspectores humanos. La utilidad potencial de la técnica de monitoreo de antineutrinos sobre el suelopara los reactores actuales y futuros se confirmó a través de extensas simulaciones realizadas por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia.
"Los detectores de antineutrinos ofrecen una solución para la verificación continua y 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, profesora asociada de la Escuela George W. Woodruff de Georgia Tech.Ingeniería mecánica: "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 del reactor".
La investigación, que se informará el 6 de agosto en la revista Comunicaciones de la naturaleza , fue parcialmente respaldado por una subvención de la Comisión de Regulación Nuclear NRC. La investigación evaluó dos tipos de reactores y tecnología de detección de antineutrinos basada en un detector PROSPECT actualmente implementado en el Reactor de isótopos de alto flujo HFIR del Laboratorio Nacional de Oak Ridge HFIR.
Los antineutrinos son partículas subatómicas elementales con una masa infinitesimalmente pequeña y sin carga eléctrica. Son capaces de pasar a través del blindaje alrededor del núcleo de un reactor nuclear, donde se producen como parte del proceso de fisión nuclear. El flujo de antineutrinos se produce en forma nuclearEl reactor depende del tipo de materiales de fisión y del nivel de potencia en el que se opera el reactor.
"Los reactores nucleares tradicionales acumulan lentamente plutonio 239 en sus núcleos como consecuencia de la absorción de neutrones por el uranio 238, cambiando la reacción de fisión del uranio 235 al plutonio 239 durante el ciclo del combustible. Podemos ver eso en la firma de los cambios en las emisiones de antineutrinoscon el tiempo ", dijo Erickson." Si el combustible es cambiado por una nación deshonesta que intenta desviar el plutonio por armas reemplazando los conjuntos de combustible, deberíamos poder ver eso con un detector capaz de medir incluso pequeños cambios en las firmas ".
La firma antineutrino del combustible puede ser tan única como un escaneo retiniano, y cómo se puede predecir el cambio de firma con el tiempo mediante simulaciones, dijo. "Podríamos verificar que lo que vemos con el detector de antineutrino coincide con lo que haríamos".esperar a ver "
En la investigación, Erickson y los recién graduados de doctorado 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 del reactorRecipientes de contención. Entre los desafíos está distinguir entre las partículas generadas por la fisión y las del fondo natural.
"Medimos la energía, la posición y el tiempo para determinar si una detección fue un antineutrino del reactor o algo más", dijo. "Los antineutrinos son difíciles de detectar y no podemos hacerlo directamente. Estas partículas tienen un tamaño muy pequeñoposibilidad 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 usan para la generación de energía deben reabastecerse regularmente, y esa operación brinda una oportunidad para la inspección humana, pero las generaciones futuras de reactores nucleares pueden operar hasta 30 años sin repostar. La simulación mostró que el sodio-Los reactores refrigerados también podrían monitorearse utilizando detectores de antineutrinos, aunque sus firmas serán diferentes de las de la generación actual de reactores de agua a presión.
Entre los desafíos futuros está la reducción del tamaño de los detectores de antineutrinos para que sean lo suficientemente portátiles como para caber en un vehículo que podría pasar por un reactor nuclear. Los investigadores también quieren mejorar la direccionalidad de los detectores para mantenerlos enfocados en las emisiones deel 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 los escáneres de retina, un haz infrarrojo atraviesa la retina y los vasos sanguíneos de una persona, que se distinguen por su mayor absorción de luz en relación con otros tejidos.la información se extrae y se compara con un escaneo retiniano tomado anteriormente y almacenado en una base de datos. Si los dos coinciden, se puede verificar la identidad de la persona.
Del mismo modo, un reactor nuclear emite continuamente antineutrinos que varían en flujo y espectro con los isótopos de combustible particulares sometidos 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 enuna base de datos para el reactor relevante, combustible inicial y quemado; una señal que coincida lo suficiente con la copia de referencia indicaría que el inventario central no se ha alterado encubiertamente. Sin embargo, si el flujo de antineutrino de un reactor perturbado es suficientemente diferente de lo que se esperaría, eso podría indicar que se ha producido un desvío.
Las tasas de emisión de partículas de antineutrino a diferentes energías varían con la vida útil de funcionamiento a medida que los reactores cambian de uranio en combustión a plutonio. La señal de un reactor de agua a presión consiste en un ciclo operativo repetido de 18 meses con un intervalo de reabastecimiento de combustible de tres meses, mientras que la señalde un reactor rápido de ciclo ultralargo UCFR representaría una operación continua, excluyendo interrupciones de mantenimiento.
Prevenir la proliferación de materiales nucleares especiales adecuados para armas es una preocupación a largo plazo de los investigadores de muchas agencias y organizaciones diferentes, dijo Erickson.
"Va desde la extracción de material nuclear hasta la disposición de material nuclear, y en cada paso de ese proceso, tenemos que preocuparnos por quién lo maneja y si podría caer en las manos equivocadas", explicó."La imagen es más complicada 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 alentar el desarrollo continuo de tecnologías de detección, 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 nuestra comprensión de las limitaciones de los detectores de antineutrinos y las posibles implicaciones para la política que podrían implementarse", dijo. "Creo que elel documento alentará a las personas a buscar sistemas futuros con más detalle "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Original escrito por John Toon. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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