测量来自核反应堆的被称为反中微子的亚原子粒子流的技术可以允许持续的远程监控，以检测可能表明核材料转移的换料变化。监控可以从反应堆容器外部进行，该技术可以足够灵敏地检测单个燃料组件的更换。
该技术可用于现有的压水堆和未来预计需要较少换料次数的设计，并可补充其他监测技术，包括人员检查员的存在。通过佐治亚理工学院研究人员的广泛模拟，地面反中微子监测技术对当前和未来反应堆的潜在效用已经得到证实。
佐治亚理工学院乔治w伍德鲁夫机械工程学院副教授安娜埃里克森说："反中微子探测器提供了一种解决方案，可以连续、实时地验证核反应堆的内部条件，而无需实际存在于反应堆堆芯中。"你无法屏蔽反中微子，所以如果运行反应堆的国家决定将其用于恶意目的，他们无法阻止我们看到反应堆运行发生变化。"
这项研究将于8月6日发表在《自然通讯》 杂志上，部分资金来自核管理委员会。这项研究评估了两种类型的反应堆和基于前景探测器的反中微子探测技术，该技术目前部署在橡树岭国家实验室的高通量同位素反应堆(HFIR)中。
反中微子是基本的亚原子粒子，质量无限小，不带电荷。它们可以穿过核反应堆核心周围的防护罩，在那里它们作为核裂变过程的一部分被生产出来。核反应堆中产生的反中子通量取决于裂变材料的类型和反应堆运行的功率水平。
"由于铀238吸收中子，传统的核反应堆在堆芯慢慢形成钚239,在燃料循环过程中将裂变反应从铀235转移到钚239。我们可以看到，反中微子发射的特性会随着时间而变化，"埃里克森说。"如果一个流氓国家更换燃料，并试图通过更换燃料组件来转移钚作为武器，我们应该能够看到一个能够测量信号微小变化的探测器。"
她说，燃料的反中微子特性可以像视网膜扫描一样独特，模拟可以用来预测特性如何随时间变化。"然后我们就可以验证我们用反中微子探测器看到的与我们预期看到的是一致的。"
在研究中，埃里克森和最近的医生。毕业生克里斯托弗斯图尔特和阿卜杜拉阿布贾乌德使用高保真计算机模拟来评估位于反应堆安全壳附近但不在反应堆安全壳内的近场中微子探测器的能力。挑战之一是区分裂变产生的粒子和自然背景产生的粒子。
她说："我们将测量能量、位置和时间，以确定探测到的是反中微子还是来自反应堆的什么东西。"反中微子很难找到，所以我们不能直接做。这些粒子极不可能与氢原子核相互作用，因此我们依靠这些质子将反中微子转化为正电子和中子。"
这些图像比较了压水反应堆和超长循环快堆中反中微子光谱和反中微子探测器响应随反应堆运行时间的变化。图片来源：佐治亚理工学院
如今，用于发电的核反应堆必须定期加油，这为人类检查提供了机会，但未来几代核反应堆可能在不加油的情况下运行长达30年。模拟表明，钠冷反应堆也可以用反中微子探测器进行监测，尽管它们的特性不同于目前一代的压水反应堆。
未来的挑战之一是缩小反中微子探测器的尺寸，并使其足够便携，以适应可以由核反应堆驱动的车辆。研究人员还希望提高探测器的方向性，使其能够专注于反应堆堆芯的发射，从而提高其探测哪怕微小变化的能力。
检测原理在概念上类似于用于认证的视网膜扫描。在视网膜扫描中，红外光束穿过人类视网膜和血管，这可以通过相对于其他组织的更高的光吸收来区分。然后，提取映射信息，并与先前获取的视网膜扫描进行比较，并存储在数据库中。如果两者匹配，可以验证此人的身份。
类似地，核反应堆会持续释放反中微子，这些反中微子的流量和光谱会随着特定燃料同位素的裂变而变化。一些反中微子通过反衰变在附近的探测器中相互作用。将探测器测量的信号与存储在相关反应堆、初始燃料和燃耗数据库中的参考副本进行比较；与参考拷贝完全匹配的信号将指示核心库存没有被秘密改变。然而，如果受扰反应堆的中微子流量与预期的大不相同，这可能表明转移已经发生。
随着反应堆从燃烧铀转变为钚，不同能量的反中微子粒子的发射率随着使用寿命的变化而变化。来自压水堆的信号包括重复的18个月运行周期和3个月换料间隔，而来自超长周期快堆(UCFR)的信号将代表连续运行，不包括维护中断。
埃里克森说，防止适用于武器的特殊核材料扩散是许多不同机构和组织的研究人员长期关注的问题。
"从核材料的开采到核材料的处置，一路走来。在这个过程的每一步，我们都应该关心谁在处理它，它是否可能落入坏人之手，"她解释说。"情况怎么样
更复杂，因为我们不想阻止核材料用于发电，因为核能是非碳能源的重要贡献者。"
埃里克森说，该论文显示了该技术的可行性，并应该鼓励探测器技术的不断发展。
"该研究的一个亮点是对装配级别转移的详细分析，这对于我们理解反中微子探测器的局限性以及可能实施的政策的潜在影响至关重要，"她说。"我认为该文件将鼓励人们更详细地研究未来的系统。"
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