Để giám sát các lò phản ứng hạt nhân, Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế IAEA thường phải dựa vào các thông tin đầu vào được cung cấp bởi các nhân viên vận hành của lò phản ứng. Tuy nhiên, trong tương lai, các đầu dò phản neutrino sẽ có thể mang lại một lựa chọn khác cho việc giám sát các lò phản ứng. Thế nhưng, từ trước đến nay, các phổ tích lũy phản neutrino phát ra từ các sản phẩm phân hạch của U238 vẫn chưa được xác định rõ ràng. Với vấn đề này, các nhà vật lý tại Trường Đại học Công nghệ Mchen (TUM) hiện nay đã có thể thu hẹp khoảng cách ấy bằng cách sử dụng các neutron nhanh từ Thiết bị nghiên cứu neutron Leibnitz Maier Heinz (FRM II).
Phản ứng phân hạch của các nhiên liệu hạt nhân như Pu hay U không chỉ giải phóng ra neutron mà còn có các phản neutrino. Những phản neutrino này cũng trung hòa về điện tích, nhưng có thể xuyên qua vật chất rất dễ dàng, đó chính là lý do tại sao mà chúng ta chỉ có thể phát hiện dấu vết của các phản neutrino bằng các đầu dò cỡ rất lớn. Tuy nhiên, gần đây một số nhóm nghiên cứu đã có thể chế tạo đầu dò phản neutrino với chỉ kích thước khoảng 1 cm3. Những thiết bị này có thể đo được các phản neutrino sinh ra từ vùng hoạt lò phản ứng, điều này đã thu hút sự quan tâm lớn tới từ IAEA.
Những phiên bản thử nghiệm đầu tiên của các đầu dò này đã được chế tạo và bắt đầu thu thập dữ liệu với khoảng cách xấp xỉ 10 m xung quanh vùng hoạt lò phản ứng. Những thay đổi trong thành phần của nhiên liệu hạt nhân trong lò phản ứng này – ví dụ như việc các đồng vị U-239 mức quân sự (tức là nồng độ của hạt nhân này đủ để chế tạo vũ khí hạt nhân) được di dời – có thể được phát hiện bằng các phép phân tích năng lượng và tỉ lệ của các phản neutrino. Phát hiện này thực sự sẽ làm các kết quả giám sát của IAEA trở nên độc lập hơn đối với các dữ liệu từ các nhà vận hành lò phản ứng.
Phổ phản neutrino của U-238 được tiết lộ
Vào những năm 1980 các phổ phản neutrino của 3 đồng vị nhiên liệu hạt nhân chính, U-235, Pu – 239, Pu – 241, đã được xác định. Tuy nhiên, phổ phản neutrino của đồng vị nhiên liệu hạt nhân chính thứ 4, U – 238, chiếm khoảng 10% trong tổng thông lượng phản neutrino, vẫn chưa được xác định rõ ràng.
Trong thời gian gần đây, TS.Nils Haag, chủ tịch của Hội Thí nghiệm Vật lý vũ trụ hạt tại TU München đã xây dựng một hệ thí nghiệm tại FRM II cho phép ông xác định phần phổ thiếu hụt của U-238. “ Tôi cần một thông lượng neutron nhanh đủ lớn để gây ra phản ứng phân hạch đối với U-238,” nhà vật lý này cho biết. Đó chính là tại sao ông ta đặt hệ thí nghiệm của ông tại trạm chụp ảnh X quang và chụp ảnh phóng xạ NECTAR của FRM II – một nguồn neutron nhanh.
TS. Nils Hagg đã xây dựng một hệ thí nghiệm cho phép ông xác định phổ neutrino chưa rõ của U-238.
Đầu dò thứ hai cho phép đo phông nền tự do
Các neutron nhanh sẽ gây ra phản ứng phân hạch đối với một tấm phim U-238 và các sản phẩm phân rã phóng xạ sau đó sẽ phát ra các electron và phản neutrino. Các electron được xác đinh bằng một đầu do nhấp nháy – sử dụng một khối các tấm nhựa nhằm biến đổi động năng của các electron thành ánh sáng. Một bộ nhân quang sau đó biến đổi ánh sáng thành các tín hiệu điện.
Ngoài ra, quá trình phân rã hạt nhân cũng phát ra bức xạ gamma và tạo ra các tín hiệu nhiễu không mong muốn trong đầu dò nhấp nháy. Do đó, Haag đã đặt một đầu dò thứ hai ngay phía trước của đầu dò nhấp nháy: được gọi là một buồng tỉ lệ nhiều dây. Bởi rằng chỉ các hạt mang điện như electron mới có thể gây ra một tín hiệu trong đầu dò khí, nên nhà Haag đã có thể xác định và trừ đi phần bức xạ gamma tỉ lệ. Sau đó ông suy ra phổ phản neutrino bằng cách sử dụng dữ liệu đo phông tự do này.
Phương pháp cho phép giám sát vùng hoạt lò phản ứng tốt hơn
Phép đo phổ phản neutrino này có thể được sử dụng để giám sát tình trạng, hiệu suất và thậm chí cả thành phần của các vùng hoạt lò phản ứng. “Các kết quả của chúng tôi đã mở ra một cánh cửa mới, cho phép dự đoán phổ phản neutrino phát ra từ lò phản ứng với độ chính xác cao hơn” TS. Nils Hagg giải thích. “Giờ đây, độ lệch dữ liệu trong các tín hiệu trong lò phản ứng đo được từ đầu dò phản neutrino sẽ được làm rõ.”
Quá trình xây dựng phương pháp này luôn được gắn chặt với việc nghiên cứu cơ bản về hiện tượng có tên là các phản neutrino “vô ứng”. So sánh với các phương pháp đo lường và dự đoán phổ phản neutrino trước đây đã đưa ra giả thuyết rằng đã có một số lượng phản neutrino bị chuyển biến thành dạng “vô ứng” sau khi được sinh ra. Ở trạng thái này, các phản neutrino không thể tương tác với vật chất khác, việc hiểu rõ về hiệu ứng này sẽ cho phép chúng ta mở rộng kiến thức về các quá trình vật lý cơ bản.
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ nghiên cứu Đức (DFG) và nhóm ưu tú DFG “Nguồn gốc và cấu trúc của vũ trụ” tại TUM.
Đoàn Mạnh Long, biên dịch theo http://www.sciencedaily.com/releases/2014/04/140424102831.htm