Przenikają przez stal, beton i ziemię. Cząstki z wyłączonej elektrowni schwytane

Wyłączenie reaktora zatrzymuje kontrolowaną reakcję łańcuchową, lecz nie sprawia, że wszystkie zachodzące w paliwie procesy nagle ustają. W jego wnętrzu pozostają produkty rozszczepienia, czyli niestabilne jądra atomowe powstałe podczas rozbijania uranu i plutonu. Część z nich rozpada się jeszcze przez wiele miesięcy, lat, a nawet dziesięcioleci.

W czasie tych przemian wydzielane jest ciepło oraz powstają antyneutrina elektronowe. Są to niezwykle lekkie cząstki, które prawie nie oddziałują z materią. Bez większego problemu przenikają przez paliwo, wodę, stalowe osłony, betonowe ściany i grunt otaczający elektrownię.

To właśnie one były owym światłem, które pozostało po wyłączeniu reaktorów. Nie chodzi oczywiście o światło widzialne, lecz o słaby strumień cząstek niosących informację o tym, co nadal dzieje się w materiale jądrowym.

Fizycy wiedzieli z obliczeń, że taki sygnał powinien istnieć. Był jednak wyjątkowo trudny do wychwycenia, ponieważ po zatrzymaniu reaktora jego natężenie spada poniżej 1 proc. poziomu rejestrowanego podczas normalnej pracy. Teraz udało się go nie tylko zauważyć, ale również ilościowo zmierzyć.

Pomiar przeprowadzono przy elektrowni Chooz B w północnej Francji. Działają tam dwa wodne reaktory ciśnieniowe, z których każdy ma moc cieplną 4,25 GW. Około 400 m od ich rdzeni znajduje się podziemny detektor należący do eksperymentu Double Chooz.

Urządzenie zawiera ponad 30 m3 ciekłego scyntylatora. Jest to substancja, która wytwarza krótkie błyski światła, kiedy w jej wnętrzu dochodzi do określonego rodzaju oddziaływania cząstek. Problem polega jednak na tym, że antyneutrina robią to niezwykle rzadko. Ogromna większość z nich przelatuje przez cały detektor, nie zostawiając po sobie żadnego śladu.

Kiedy jednak antyneutrino zderzy się z protonem, powstają pozyton i neutron. Pozyton niemal natychmiast wywołuje pierwszy błysk. Neutron zostaje przechwycony chwilę później i powoduje drugi. Charakterystyczna para sygnałów, oddzielonych niewielkim odstępem czasu, pozwala odróżnić antyneutrino od naturalnego promieniowania i innych zakłóceń.

Naukowcy przeanalizowali dane z okresów, w których oba reaktory były jednocześnie wyłączone. Po uwzględnieniu przerw w pracy aparatury otrzymali 17,2 dnia efektywnych obserwacji wykonanych przez bliższy detektor.

W zakresie energii, w którym spodziewano się pozostałości sygnału reaktorowego, wykryto 106 zdarzeń z niepewnością wynoszącą 18. Modele przewidywały 88 zdarzeń z niepewnością równą 7. Różnica mieści się w granicach błędu, a statystyczna istotność wyniku osiągnęła 5,9 sigma. W fizyce cząstek taki rezultat oznacza, że przypadkowe powstanie obserwowanego sygnału jest skrajnie mało prawdopodobne.

Detektor Double Chooz nie obserwował wyłącznie materiału pozostającego w rdzeniach. W pobliżu reaktorów znajdowały się również baseny chłodzące, do których po zakończeniu kolejnych cykli pracy przenoszono zużyte zestawy paliwowe.

Takie paliwo nazywane jest wypalonym, ale nie oznacza to, że materiał stał się obojętny albo że przestał zawierać energię. Po prostu jego skład zmienił się na tyle, że dalsze wykorzystywanie go w danym reaktorze staje się nieefektywne. Nadal pozostaje jednak silnie promieniotwórczy i przez długi czas wydziela ciepło.

W Chooz poszczególne zestawy paliwowe różniły się wiekiem. Niektóre trafiły do basenu niedawno, inne chłodziły się tam od kilku lat. Każdy z nich emitował nieco inny strumień cząstek, zależny od historii pracy, stopnia wypalenia oraz czasu, jaki upłynął od wyjęcia z rdzenia.

Z obliczeń wynika, że około 56 proc. zarejestrowanego sygnału pochodziło z paliwa pozostającego w wyłączonych reaktorach, a pozostałe 44 proc. z basenów magazynowych. Aż 98,7 proc. oczekiwanych zdarzeń skupiało się przy energii poniżej 3 MeV.

Baseny nie są przy tym docelowym miejscem przechowywania paliwa. Służą przede wszystkim do odbierania ciepła w pierwszych latach po wyjęciu materiału z reaktora. Jak pisaliśmy w tekście: Będą mieszkać koło polskiej elektrowni jądrowej. Mówią, co ich przeraża, w planowanej polskiej elektrowni paliwo ma być chłodzone w basenach przez około 10 lat, a następnie przenoszone do szczelnych pojemników.

Pomiar ma bardzo duże znaczenie wykraczające poza samą fizykę cząstek. Antyneutrina mogą stać się narzędziem do niezależnego kontrolowania reaktorów oraz miejsc, w których przechowywane jest wypalone paliwo.

Ich największą zaletą jest to, że powstają bezpośrednio podczas przemian zachodzących w materiale jądrowym. Nie można wyłączyć ich emisji przełącznikiem, zasłonić jej betonową ścianą ani zmienić dokumentacji tak, by cząstki zaczęły pokazywać coś innego. Strumień i rozkład energii antyneutrin zależą od ilości paliwa, jego składu oraz czasu, który upłynął od pracy w reaktorze.

W przyszłości detektory mogłyby więc pomagać w sprawdzaniu, czy deklarowana liczba zestawów paliwowych rzeczywiście znajduje się w basenie albo magazynie. Zmiana sygnału mogłaby wskazywać na usunięcie części materiału. Metoda działałaby bez otwierania pojemników i bez bezpośredniego zbliżania się do silnie promieniotwórczego ładunku.

Przeczytaj także:

Nie oznacza to jednak, że obok każdego magazynu odpadów wkrótce stanie niewielkie urządzenie liczące antyneutrina. Eksperyment Double Chooz korzystał z dużej podziemnej instalacji, a zebranie wystarczającej liczby zdarzeń wymagało wielu dni. To na razie jedynie dowód, że metoda działa.

*Źródło grafiki wprowadzającej: mpi-hd.mpg.de / edytowane przez AI Canva Pro