О чем расскажут нейтрино: ИФТП сделает сцинтилляторы для детектора на Калининской АЭС

Институт физико-технических проблем (ИФТП) изготовит сцинтилляторы для детектора DANSS-3, который установят на Калининской АЭС. Он нужен для мониторинга процессов в активной зоне реактора с помощью невидимых, но о многом говорящих частиц — ​нейтрино. В частности, можно дистанционно изучить изотопный состав топлива и определить, не используют ли его, например, для наработки оружейного плутония.

Призрачный томограф

Нейтрино — ​крошечная частица, обладающая феноменальной проникающей способностью. Еще в середине 1930-х ученые рассчитали, что нейтрино с энергией несколько мегаэлектронвольтов взаимодействуют с веществом настолько слабо, что могут преодолеть слой жидкого водорода толщиной 1 тыс. световых лет. Швейцарский физик Вольфганг Паули, одним из первых предположивший существование нейтрино, говорил, что совершил ужасную вещь — ​предсказал наличие того, что вообще невозможно обнаружить. Спустя несколько десятков лет зарегистрировать нейтрино удалось — ​по результатам их взаимодействия с атомными ядрами.

Проникающая способность нейтрино позволяет изучать свойства их источника на любом расстоянии. Например, по солнечным нейтрино в реальном времени исследуются процессы, происходящие на Солнце. Тот же принцип действует и в ядерном реакторе — ​там громадный поток нейтрино. Реактор мощностью 1 ГВт выпускает в секунду 1020 нейтрино. Несколько детекторов, установленных вокруг реактора, позволяют проводить «томографию» активной зоны — ​определять, как выгорает топливо, какие твэлы нужно заменить или переставить.

DANSS-3 — ​проект Объединенного института ядерных исследований. «Параллельно мы планируем сделать мобильный детектор. Его можно поставить, например, на машину, подъехать к станции и, даже не уведомляя персонал, проводить измерения и следить за тем, что происходит в реакторе, не пытаются ли там наработать оружейный плутоний. В теории нейтринные детекторы могут регистрировать нейтрино от реакторов атомных подводных лодок, но этой задачей мы еще не занимаемся», — ​рассказывает начальник сектора лаборатории ядерных проблем ОИЯИ Юрий Шитов.

Лаборатория под реактором

На Калининской АЭС развернулась целая нейтринная лаборатория — ​сотрудники ОИЯИ уже проводят там два эксперимента: измеряют магнитный момент на детекторе GEMMA на втором энергоблоке и когерентное упругое рассеяние нейтрино на детекторе vGEN — ​на третьем. Там же, на третьем блоке, планируют скоро запустить свой двухфазный эмиссионный детектор РЭД‑100 специалисты МИФИ. Калининская АЭС — ​единственная в мире станция, где нейтринные детекторы расположены настолько близко к реактору — ​10–12 м. Другие исследователи проводят измерения на расстоянии 17 м, а чаще всего — ​25 м: ближе подвести подвижную платформу с детектором не позволяет размер герметичной зоны большинства иностранных коммерческих реакторов.

Несмотря на название, DANSS-3 — ​не третья, а вторая версия нейтринного детектора. Первая (работа над ней началась в 2006 году) должна была измерять спектр нейтрино для мониторинга состояния реактора. Затем добавилась другая фундаментальная задача — ​поиск новой разновидности нейтрино. Дело вот в чем: многие зарубежные исследовательские группы заметили, что количество регистрируемых возле реакторов нейтрино меньше, чем рассчитанное теоретиками. Условно говоря, вычисления показывают, что должно вылететь 100 нейтрино, а детектор регистрирует только 92. Куда делись еще восемь? Разница слишком велика для простой погрешности. Чтобы объяснить эту аномалию, предложили теорию существования стерильных нейтрино, в которые переходят (осциллируют) обычные нейтрино. На поиски загадочных частиц бросились ученые по всему миру. Занялся этим и ОИЯИ на детекторе DANSS. Подвижная платформа стала огромным подспорьем — ​если осцилляции не происходят, то спектр нейтрино и его формула должны быть одинаковы на любом расстоянии. А если нейтрино действительно превращаются в стерильные, спектры будут отличаться.

Однако долгое время никаких осцилляций зарегистрировать не удавалось. Пока в 2018 году ученые из Петербургского института ядерной физики не объявили, что в ходе эксперимента «Нейтрино‑4» наблюдали осцилляции нейтрино в стерильные с другими параметрами, недоступными для DANSS в его первоначальном виде. Тогда в ОИЯИ разработали вторую версию — ​чуть большего размера, с более чувствительным детектором и новой конфигурацией сцинтилляторов.

Восемь вместо трех

Задача сцинтиллятора — ​уловить свет. Чаще всего в нейтринных детекторах используются жидкие сцинтилляторы, обычно горючие. Применять их на АЭС опасно. Так что и в первой, и во второй версии DANSS сцинтилляторы пластмассовые — ​полистирол с примесью паратерфенила и ПОПОПа.

В DANSS‑1 сцинтилляторы производились методом коэкструзии: компоненты в виде смешанного порошка поступают в плавильную камеру, из которой выходит пластмассовый сцинтиллятор. Главные достоинства такого метода — ​дешевизна и скорость изготовления, поэтому технологию часто применяют в производстве сцинтилляторов для больших детекторов в физике нейтрино и высоких энергий. Однако есть и проблемы — ​невысокий световыход (количество излучаемых фотонов при поглощении 1 МэВ) и большой разброс качества сцинтиллятора.

В DANSS‑3 будет сцинтиллятор, полученный методом полимеризации. «Это классический сцинтиллятор, который часто используется в экспериментах и в технике. Меняется только качество паратерфенила, от этого зависит световыход, — ​объясняет ведущий инженер лаборатории контроля качества ИФТП Владимир Бабин. — ​Мы фактически реализовали новую для нас технологию производства, модернизировали оборудование. Это позволило значительно улучшить структуру сцинтилляторов и их качество. Новый детектор будет состоять из 1,44 тыс. единичных сцинтилляторов длиной 1,2 м, шириной 5 см, высотой 2 см. В них делаются бороздки для прокладки оптоволокна, которое подключают к электронике».

Важный элемент технологии — ​воздушный полимеризатор большого объема, сделанный в ИФТП, который позволяет делать пластмассовые сцинтилляторы высокого качества и большого размера. Тестовые измерения, проведенные учеными проекта DANSS на ионном пучке, показали, что световыход пластмассовых сцинтилляторов ИФТП на 20–30 % выше, чем у аналогов.

Оптоволокон, или, как их еще называют, фибр, тоже станет больше: вместо трех, как у DANSS-1, — ​восемь в каждом сцинтилляторе. Фибры будут японские, от компании Kuraray. В России такие оптоволокна никто не делает, да и в мире производителей можно пересчитать по пальцам.