Новые успехи физики реакторных антинейтрино

В мире элементарных частиц существует загадочное явление — "реакторная антинейтринная аномалия", породившая множество гипотез и экспериментов. При изучении антинейтрино (элементарных частиц, возникающих при распаде ядер атомов в ядерных реакторах) ученые сталкиваются с неожиданным явлением — дефицитом событий относительно предсказаний различных моделей. Иными словами, в эксперименте регистрируется меньше антинейтрино, чем "должно быть" по расчетам.

В НИЦ "Курчатовский институт" предложили "альтернативную" теоретическую модель. При бета-распаде продуктов деления тяжелых изотопов возникает одно электронное антинейтрино и один бета-электрон. В большинстве случаев в реакторных нейтринных экспериментах измеряют потоки антинейтрино. А эксперимент, проведенный в Курчатовском институте на установке "Бета" на реакторе ИР-8, был направлен на измерение числа бета-электронов.

Комментирует Даниэль Попов, младший научный сотрудник отделения физики нейтрино НИЦ "Курчатовский институт":

— В идеальном случае, если бы мы одновременно и точно измеряли антинейтрино и бета-электроны от одного бета-распада, показания детекторов должны были бы совпадать. Однако в реальности электроны более "охотно" взаимодействуют с детектором, что упрощает их обнаружение. Поскольку антинейтрино и бета-электрон в результате бета-распада всегда образуются вместе, их характеристики тесно связаны друг с другом. Измерив в лабораторных условиях характеристики бета-электронов, можно получить характеристики антинейтрино.

В нашем случае это и было сделано: по данным первого цикла измерений бета-электронов продуктов деления урана и плутония мы построили модель реакторных антинейтрино КИ. Наша установка уникальна, никто в мире на сегодня не занимается подобными работами. А поскольку на нашу модель не влияет эффект "дефицита антинейтрино", то она лучше других на сегодняшний день описывает результаты реакторных нейтринных экспериментов и активно обсуждается в мировой литературе.

Осцилляции нейтрино изучают в масштабном международном эксперименте Daya Bay (проводится на АЭС Даяван (КНР), в коллаборации участвуют ученые из Китая, России, США и других стран). Эксперимент собрал около 4,7 миллиона событий, то есть взаимодействий частиц. Чтобы проверить точность данных, ученые сравнили их с прогнозами, сделанными на основе различных теоретических моделей. Оказалось, что результаты эксперимента Daya Bay согласуются с предсказаниями модели Курчатовского института.

"Нейтринный метод универсален, применим не только для энергетических реакторов ВВЭР, но и для ядерных объектов других типов, в основе которых лежит реакция деления — в частности, для реакторов на быстрых нейтронах, реакторов на расплавах солей, для маломощных плавучих атомных энергоблоков. Чем лучше мы понимаем свойства и взаимодействия антинейтрино с веществом, тем точнее и надежнее будет работать нейтринный метод контроля ядерных объектов атомной отрасли", — отметил Д. Попов.

Справочно

Физика реакторных антинейтрино — область, где фундаментальные исследования пересекаются с практикой. Еще в 1980-е годы в Курчатовском институте Лев Микаэлян предложил использовать антинейтрино для удаленного, независимого мониторинга работы ядерных реакторов. Антинейтрино, возникающие в процессе работы реактора, содержат информацию о его тепловой мощности, составе ядерного топлива и конструкции активной зоны. Эти частицы легко покидают активную зону реактора и могут быть зарегистрированы специальными детекторами даже на значительном расстоянии от АЭС.

Сегодня НИЦ "Курчатовский институт" занимает лидирующие позиции в изучении нейтрино. Исследования ученых Центра позволили сформировать новое научное направление — прикладную физику реакторных антинейтрино. Впервые в мировой практике на атомных электростанциях были проведены эксперименты, демонстрирующие потенциал этой технологии для повышения безопасности и эффективности атомной энергетики.

В 2022 году ученые Центра Михаил Скорохватов и Владимир Копейкин были удостоены Государственной премии РФ в области науки и технологий за разработку метода дистанционного измерения ключевых параметров атомных реакторов с помощью реакторных антинейтрино.