СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ АНТИНЕЙТРИНО ОТ АТОМНЫХ РЕАКТОРОВ
METHOD OF RECORDING ANTINEUTRINO FROM ATOMIC REACTORS

е
+
3
Изобретение относится к области ядерной физики, в частности к снижению риска эксплуатации АЭС, путем мониторинга окружающей среды низкофоновым гамма-спектрометром для контроля внутриреакторных процессов и наработки делящихся материалов (плутония) в реакторе по потокам реакторных антинейтрино. Известно применение низкофоновой аналитической техники для обеспечения контроля работы реактора и радиоэкологической безопасности АЭС с помощью устройства размером 929×700×700 мм, в котором в качестве детектора антинейтрино от реактора по реакции обратного бета-распада: ν+р=е+n применяется вода. Регистрация нейтронов осуществляется счетчиками нейтронов СНМ-66, заполненных Не. Счетчики образуют матрицу 12×12 штук. Детектор окружен комбинированной пассивной (чугун и полиэтилен) и активной защитой от внешнего фона. В этом случае регистрации антинейтрино использован только один сигнал (регистрация нейтронов) (см. Коровкин В.А., Казьмин А.Н., Березовец A.M. и др. Дистанционный контроль реактора с помощью нейтринного прибора в технологическом помещении Ровенской АЭС. Атомная Энергия. Т.71, вып.6, 1991, 556-559). Однако данное устройство имеет невысокое отношение сигнал/фон (около 1, 2).
Известен способ регистрации антинейтрино. В этой работе описан детектор антинейтрино на основе чередующихся 10 сцинтилляционных и 9 нейтронных модулей. В нем используется метод задержанных совпадений между сигналами от позитрона и нейтрона. То есть используются уже два сигнала. Этот детектор уже позволяет измерять и спектр антинейтрино, по деформации которого можно определять динамику изменения изотопного состава ядерного топлива в процессе работы реактора и накопления плутония-239 в активной зоне (см. Кетов С.Н., Мачулин И.Н., Микаэлян Л.А. Гетерогенный ровенский антинейтринный детектор: Препринт ИАЭ-4912/2, 1989). Однако отношение эффект/фон здесь также не высокое.
Известен способ регистрации антинейтрино. Описан эксперимент Коуэна и Рейнеса по регистрации процесса обратного бета-распада нейтрона при взаимодействии вещества детектора с реакторными антинейтрино. Установка состояла из трех больших прямоугольных баков-детекторов (1,9×1,3×0,6 м), разделенных двумя баками-мишенями толщиной 7 см. В качестве мишени использовалась вода, содержащая растворимую соль кадмия, а в качестве детектора - сцинтилляционная жидкость, объем которой просматривался 110 фотоумножителями. Для защиты от внешних нейтронов и гамма-фона система была заключена в свинцово-парафиновый ящик и погружена глубоко под землю. Для регистрации нейтрино используются три сигнала: совпадения сигналов от двух аннигиляционных гамма-квантов с энергиями 0,511 МэВ в двух смежных детекторах и спустя 1-25 мкс «всплеск» в смежных детекторах гамма-квантов с общей энергией 8-10 МэВ от захвата кадмием замедлившегося нейтрона. Этот тип детектора можно рассматривать в качестве ближайшего аналога предложенного нами способа в части регистрации антинейтрино (см. К.Н.Мухин. Экспериментальная ядерная физика., Москва, Энергоатомиздат, 1983, 154-155). Соотношение сигнал/шум в данном типе детектора также не высокое, что непосредственно влияет на точность измерения потоков антинейтрино от атомных электростанций.
e
+
Технический результат предложенного нами способа заключается в том, что одновременно используются все (временные, пространственные и энергетические) характеристики, присущие всем принимающим в обратном бета-распаде (ν+р=е+n) частицам, что позволило увеличить отношение сигнал/фон не менее чем до 10. Это обеспечивает максимально достижимое повышение отношения сигнал/шум при регистрации потоков антинейтрино и их спектра от реактора для повышения безопасности функционирования АЭС, включающей дополнительный к существующему контроль за внутриреакторными процессами и контроль за наработкой делящихся материалов, в частности плутония.
Это достигается за счет того, что регистрацию антинейтрино от атомных реакторов осуществляют по реакции обратного бета-распада с помощью низкофонового гамма-спектрометра, причем гамма-спектрометр имеет сферическую форму с равноудаленными от центра фотоумножителями, а регистрацию антинейтрино осуществляют одновременно со спектрометрией и томографией пространственных характеристик обратного бета-распада с помощью формул Радона и методом совпадений временных характеристик этого же процесса.
Способ осуществляется следующим образом. Для контроля внутриреакторных процессов применяется антинейтринный детектор следующей конструкции: основанием детектора служит сфера из нержавеющей стали, диаметром в две радиационные длины для применяемого сцинтиллятора с целью достижения оптимального светосбора при наибольших размерах детектора. В нашем случае применения негорючего жидкого сцинтиллятора диаметр сферы составляет более метра. Сфера собрана из плоских шестигранников (или других геометрических фигур), размеры которых определяются применяемыми фотоумножителями (фотодиодами). Общее число фотоумножителей при этом может быть около 100. Таким образом, весь объем шара просматривается фотоумножителями. Для регистрации антинейтрино используют известную реакцию превращения протона, входящего в состав сцинтиллятора, в нейтрон и позитрон. Через 1-1,5 наносекунд позитрон аннигилирует с вылетом двух гамма-квантов с энергиями 0,511 МэВ. В состав сцинтиллятора введена растворимая соль кадмия или аналогичная. Нейтрон замедляется в течение нескольких микросекунд (от 5 до 20) и захватывается кадмием. В результате захвата выделяются несколько гамма-квантов с энергией до 10 МэВ.
Для снижения фона в изобретении предусмотрены следующие системы временного и спектрометрического отбора искомых событий: регистрируют сцинтилляции от позитрона, совпадающие с регистрацией двух аннигилляционных гамма-квантов с энергией 0.511 МэВ, и спустя 5-20 мкс регистрируют несколько гамма-квантов с общей энергий до 8-10 МэВ. С целью снижения фона (соответственно, улучшения отношения сигнал/фон) применяют метод определения места вылета позитрона, образования аннигиляционных гамма-квантов и гамма-квантов от захвата нейтрона кадмием путем сопоставления сигналов, полученных одновременно со всех фотоумножителей и анализа их по формулам Радона. Для увеличения быстродействия счетчиков съем сигналов осуществляют с динодов. Пространственная картина позволяет резко уменьшать (не менее чем в 5 раз - из опыта эксплуатации макета) фон устройства; с целью уменьшения фона от космических лучей применяется спектрометрия. Космические частицы регистрируют по релятивистским потерям (около 2 МэВ/г), что для данных размеров детектора составляет более тысяч МэВ, легко отделяемых от искомого события. Для пассивного подавления внешнего фона применены экраны из парафина и чугунные и свинцовые блоки, закрепляемые на сфере с помощью штырей и на внешних ребрах жесткости (см. фиг.1). На фиг.1 показано устройство для регистрации реакторных антинейтрино, где 1 - сцинтиллятор с добавками, 2 - фотоумножители (фотодиоды), 3 - парафин (полиэтилен), 4 - чугун, 5 - свинец.
Для обработки и накопления информации используют бортовой переносной компьютер, работающий в режиме «черного ящика» для контроля наработки делящихся материалов и вырабатывающий сигнал тревоги по заранее заданному алгоритму отбора событий в случае нарушения нормального режима работы реактора для целей контроля внутриреакторных процессов. Полученное на макете значение отношения сигнал/шум равно 10.
Таким образом, для повышения отношения «сигнал/шум» применение метода совпадений временных, пространственных и энергетических характеристик сигналов повышает чувствительность при регистрации антинейтрино от реакторов для обеспечения антитеррористической (путем контроля за наработкой делящихся материалов, в частности оружейного плутония) и радиоэкологической безопасности предприятий ядерно-топливного цикла (путем контроля за внутриреакторными процессами).
Результаты регистрации антинейтрино от реактора показаны на фиг.2, где фон детектора в разных условиях экранирования (а) и скорость счета детектора на разном расстоянии от реактора ИФ АН ГССР (б).
1 - фоновая скорость счета детектора на поверхности земли;
2 - фоновая скорость счета детектора в подземной лаборатории СГИГ АН ГССР;
3 - фоновая скорость счета детектора там же под землей с включенной системой отбора событий по энергиям;
4 - фон в условиях 3 с временными совпадениями;
5 - фон в условиях 4 с пространственным отбором событий;
6- фон в условиях 5, но на поверхности земли.
Детектор диаметром 1 метр с сцинтиллятором на основе уайт-спирита с добавками гадолиния эксплуатировался в подземной лаборатории Сектора гидрогеологии и инженерной геологии АН ГССР (СГИГ АН ГССР) в конце 80-годов прошлого столетия. Полученные фоновые характеристики детектора показаны на фиг.2а. Детектор использовался в режиме счета быстрых нейтронов для задач геофизики и прогнозирования землетрясений. Также детектор был апробирован на исследовательском реакторе Института Физики АН ГССР. Скорость счета детектора на разном расстоянии от реактора показана на фиг.2б. Небольшая скорость счета вблизи реактора объясняется его малой мощностью. Наблюдался эффект понижения скорости счета при удалении от реактора, что свидетельствует о регистрации антинейтрино. Кроме того, в период плановых ремонтных работ реактора в режиме холостого хода скорость счета детектора, расположенного вблизи реактора, падала до фонового значения.