СЕНСОР НЕЙТРИННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ РЭД-100

В 2019 году российские исследователи успешно испытали в лаборатории портативный сенсор нейтринного излучения РЭД-100. Детектор предназначен для дистанционного мониторинга процессов в реакторах атомных электростанций. В мире нет аналогов разработки, которая способна улавливать нейтринное излучение и космические лучи. С помощью такого сенсора можно дистанционно наблюдать за состоянием реактора, проводить его изотопный анализ, предсказывать нештатные ситуации и даже предотвращать разработку ядерного оружия.

Ядерные реакции приводят к образованию большого количества нейтрино. Эти бесструктурные элементарные частицы еще недостаточно изучены. Известно, что они безвредны для живых организмов, с легкостью проходят сквозь тело человека и предметы и с трудом поддаются регистрации.

Самый мощный источник нейтрино – это Солнце, однако потоки этих частиц также производят действующие атомные реакторы. Поскольку нейтрино не может остановить никакая защита, они беспрепятственно проходят сквозь бетонную и свинцовую защиту АЭС наружу. По анализу нейтринного излучения можно понять, что происходит в центре активной зоны реактора, и даже выявить изотопный состав ядерной реакции.

РЭД-100 был сконструирован в Национальном исследовательском ядерном университете МИФИ для регистрации нейтринного излучения и последующего создания портативных приборов на основе этого сенсора. Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (Московский инженерно-физический институт) – главный университет атомной отрасли Российской Федерации. Одна из основных задач вуза – подготовка физиков, инженеров, программистов, специалистов по компьютерной безопасности в соответствии с запросами отраслевых компаний (Министерства обороны и корпорации «Росатом»). Входит в топ-100 мировых университетов по физическим наукам и занимает 1-е место в России среди инженерных вузов.
В создании и испытании детектора также приняли участие российские ученые из нескольких институтов, в том числе из Курчатовского института, МФТИ, ОИЯИ и других. Работу исследователей поддержал Российский научный фонд.
РЭД-100 — это сверхчувствительный детектор нового поколения, в котором в качестве рабочей среды используется 200 кг жидкого ксенона, помещенного в титановый криостат. Взаимодействие нейтрино с атомным ядром ксенона приводит к ионизации среды и появлению нескольких свободных электронов, которые вызывают сильное свечение газа, поэтому его легко зарегистрировать.
Существующие детекторы нейтрино обладают гигантскими размерами — для их перевозки нужен целый поезд. Компактность РЭД-100 является серьезным преимуществом разработки — приборы на его основе можно с легкостью уместить в грузовик. Этого удалось достичь благодаря новому принципу, открытому российскими учеными. В основе работы детектора лежит новый физический эффект, открытый в 2017 году, – эффект упругого рассеяния нейтрино на тяжелых ядрах. Ранее для регистрации нейтринного излучения его никто не использовал.

Разработка уже привлекла внимание руководства Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ). Чиновников, контролирующих работу АЭС по всему миру заинтересовала возможность эффективного дистанционного мониторинга работы реакторов.
С помощью приборов на базе РЭД-100 сотрудники МАГАТЭ могли бы отслеживать работу атомных электростанций где-нибудь в Пакистане или в условном Иране, не проникая на территорию АЭС. В любом работающем реакторе происходит изменение его изотопного состава. Сенсор может обнаружить извлечение, например, плутония-239, который нарабатывается реакторами и может использоваться для создания ядерного оружия.
В целом приборы на базе нового сенсора должны повысить безопасность АЭС, так как с их помощью можно контролировать нормы эксплуатации реакторов. С помощью РЭД-100 можно будет отслеживать нормальный ход работы реактора. Приборы на основе детектора можно будет использовать как дополнительное средство контроля за ходом ядерной реакции, что имеет большое значение для повышения безопасности атомной энергетики. Появляется возможность предотвратить второй Чернобыль или вторую Фукусиму.
С помощью детектора можно регистрировать излучение Солнца и космические лучи, однако его основное применение – регистрация реакторных нейтрино.
Ведущие ядерные державы еще полвека назад сформировали набор дипломатических и технологических приемов, которые позволяют предотвратить нелегальное распространение военных ядерных технологий. Они очень жестко регулируют оборот чистого и отработанного ядерного топлива и обязывают всех участников Договора о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО) допускать инспекторов ООН и МАГАТЭ на АЭС и прочие объекты.
Ученые достаточно давно пытаются решить проблему безопасности ядерных реакторов, разрабатывая новые методы обнаружения следов расщепляющихся материалов и других типов наблюдений за ядерными объектами, которые можно было бы проводить с большого расстояния, не вмешиваясь в работу подозрительных установок. Одним из первых примеров подобных дистанционных систем может стать детектор нейтронов РЭД-100.
В 2021 году прошли успешные испытания нейтринного детектора на Калининской АЭС. Полномасштабная проверка установки показала, что детектор может улавливать следы электронных нейтрино и при этом игнорировать воздействие космических лучей на ксенон и другие источники помех. Детектор способен следить за тем, что происходит внутри работающего ядерного реактора, причем не проникая внутрь, неинвазивно. Это позволит предотвращать аварийные ситуации, а значит, повысить безопасность ядерной энергетики и, что еще важней, – предотвращать распространение ядерного оружия.
Этот «сторож» напоминает бочку, заполненную 200 кг жидкого ксенона. И хотя из реактора вылетают миллиарды нейтрино, огромная удача, если удастся поймать хотя бы несколько десятков. Дело в том, что частицы практически никак себя не проявляют, ни с чем не взаимодействуют. Поэтому ученым приходится идти на разные хитрости, чтобы эта неуловимая частица все же попалась в сети.
Что же конкретно нейтрино сообщает про ситуацию в ядерном реакторе? Как ставит ему диагноз? А главное, как ловит за руку тех, кто пытается извлечь из него ядерное оружие? Дело в том, что в ходе работы реактора в нем постепенно меняется состав изотопов, одни нарабатываются, например оружейный плутоний, другие распадаются. И эти изменения оставляют свой след в потоке нейтрино, что и фиксирует «сторож». По нему можно сказать, все ли там в норме или есть повод для тревоги. И не извлечен ли из него злоумышленниками плутоний для создания ядерного оружия.
Россия является поставщиком атомных электростанций практически по всему миру и несет ответственность перед международным сообществом, чтобы другие государства не использовали их во вред человечеству. Контролировать, что именно творится на станции другой страны, очень трудно, если нет прибора, который буквально можно поставить на улице рядом с АЭС, чтобы наблюдать за изменением изотопного состава атомного реактора и предотвращать незаконное изъятие из него радиоактивных материалов.