Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



«Квантик»


 
журнал для любознательных





Главная / Задачи версия для печати

Нейтринный томограф для ядерного реактора

Игорь Иванов
17.06.13

Рис. 1. Калининская АЭС — первая российская АЭС, на которой опробована методика нейтринной томографии активной зоны

Рис. 1. Калининская АЭС — первая российская АЭС, на которой опробована методика нейтринной томографии активной зоны

Для оптимального функционирования ядерного реактора очень желательно научиться напрямую «видеть» то, что происходит внутри активной зоны работающего реактора. Причем следить за состоянием активной зоны хотелось бы с хорошим пространственным разрешением (десятки сантиметров) и по возможности в реальном времени (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 позволит оптимизировать работу реактора, повысит эффективность выработки 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 позволяешь лишь следить за общей мощностью реактора, а восстанавливать по ее показаниям объемную неравномерность выгорания топлива можно лишь очень опосредованно.

Для прямого дистанционного наблюдения за активной зоной приходится использовать частицы со сверхвысокой проникающей способностью, и естественным кандидатом для этого являются нейтрино (см. подробности в несложном введении в физику нейтрино). Эти частицы (а точнее, антинейтрино) в изобилии рождаются в ядерном реакторе и разлетаются прочь из активной зоны, не замечая ни стенок реактора, ни окружающие постройки, ни даже Землю. Лишь в очень редком случае нейтрино натыкается всё же на какой-то атом окружающего вещества и инициирует ядерную реакцию — именно так нейтрино и ловят в детекторах. Несмотря на очень малую вероятностью такого события, нейтринный поток от реактора огромен. Поэтому достаточно крупный детектор сможет не только надежно зарегистрировать реакторные нейтрино, но и аккуратно измерить их 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.

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

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

Возьмем для примера типичный реактор ВВЭР-1000 размером 3 метра и тепловой мощностью 3 гигаватта. Будем считать, что на один акт деления ядра урана испускается в среднем пять нейтрино. Детектор можно располагать не ближе 10 метров от центра активной зоны. Сам детектор будем считать идеальным — то есть если уж 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 столкновения 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.

Задача

Оцените размер нейтринного детектора, который позволит в течение часа почувствовать сильно неоднородное выгорание топлива в активной зоне реактора. Необходимые характеристики реакции деления ядер урана и взаимодействия нейтрино с веществом найдите в интернете.

Подсказка 1

Подсказка 2

Решение

Послесловие



 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия