Проблемно ориентированные исследования в области

М.Д. Скорохватов
РНЦ «Курчатовский институт»
Проблемно ориентированные исследования
в области нейтринной физики.
Предварительные замечания:
-О чем доклад
-Свойства нейтрино и проблемы смежных областей физики
-Современные практические задачи:
-Исследование механизмов генерации энергии Солнца
-Изучение гео-нейтрино
-Внедрение технологий детектирования анти-нейтрино
для задач нераспространения.
НИИЯФ МГУ 12.09.2006
Предварительные замечания:
Более 100 лет назад рентг. лучи открыли новую эру в медицине и науке.
Сегодня мы пытаемся подобным образом использовать нейтрино
для изучения глубинных областей Солнца, строения и состава Земли,
поиска нефти, мониторирования ядерных реакторов и др.
Количество предложений возрастает.
Некоторые предложения реализуются (или могут быть реализованы)
уже сегодня.
Для внедрения других предложений нужны дополнительные исследования.
Существуют идеи, которые сегодня выглядят фантастически, и,
по-видимому, будут реализованы лишь в будущем.
Все предложения основаны на уникальных свойствах нейтрино.
Почему сегодня стало возможно:
- развита техника больших детекторов и низкофоновых измерений
- прогресс в понимании характеристик распространения нейтрино.
Свойства нейтрино
1. Частица со спином ½, участвует только в слабых взаимодействиях
Рождение и поглощение
Рассеяние
e
e
W¯
e-
Z0
e
2. Смешивания нейтрино и смешивание
e, , 
i=Ui1 1 +Ui2 2 +Ui3 3
1, 2, 3
состояния с массами М1, М2, М3
i = e, , 
3. Эффективные массы нейтрино
m  2.2 eV
m 170 keV
m 18.2 MeV
Атмосферные и ускорительные нейтрино M2 ~ 23×10-3 eV2 (M32-M22)
Солнечные и реакторные нейтрино M2 ~ 8×10-5 eV2
(M22-M12)
Свойства нейтрино
4. Распространение нейтрино
Осцилляции состояний
P(L)
E= 1 MeV
Электронные нейтрино:
~15.6 km
10
20
30
L(km)
Взаимодействия нейтрино
 e  e  e  e
 e  p  e  n
Заряженные токи
Заряженные токи
e-
e
e
e-
e
Нейтральные токи
e+

e
n
p
e (E~ MeV) ~ 10 – 43  10
e
44
cm2
e-
# Высокая проникающая способность
# Трудности регистрации: большие мишени, фоновая радиоактивность
Что известно:
M= 21033 г
R = 7108 м
L= 3.81033 эрг/с
Содержание элементов
на поверхности:
водород 73.4%
гелий 24.8%
4p  4He  2e   2e E = 4.310 -5 эрг
для поддержания светимости
N = L/ E = 0.9 1038 c-1
т.е. сгорает водорода
4mpN = 6 10 8 т/с
Скорость генерации нейтрино N=2L/ E = 1.81038 с-1
Поток нейтрино Ф=N/4A2 = 61010 см-2с-1
А=1.51013 см
12С
+ p  13N + 
13N
 13C + e+ +
13C
+ p  14N + 
14N
+ p  15O + 
15O
15N
 15N + e+ +
<1.199 MeV
<1.732 MeV
+ p  12C + 
Т.е. итог : 4p  4He  2e   2e
Low Energy Solar Neutrinos
Измерение интенсивности
и спектра солнечных нейтрино
дает полную информацию о:
термоядерных процессах,
температуре,
соотношения PP и CNO циклов,
структуре внутренних областей.
Проверка и отбор моделей.
Homestake
e + 37Cl  37Ar + e-
0.814 MeV
600t C2Cl4
SAGE
e + 71Ga  71Ge + e-
0.233 MeV
57t Ga
GNO
e + 71Ga  71Ge + e-
0.233 MeV
30t Ga
8B Solar Neutrino Results
S.-Kamiokande
 + e-   + e-
6.5 MeV
22.5kt H2O
SNO
 e + d  p + p + e-
6.75 MeV
1kt D20
SNO
e + d  n + p + e
2.2 MeV
1kt D20
0.88 0.06
BOREXINO
измерение потока солнечных нейтрино в реальном времени
 e  e  e  e
Мишень - ЖС ( 300 т.)
0.5 соб/тдень
Фоновые процессы :
- мюоны и их взаимодействия
- U, Th, K в стенах и ФЭУ
- U, Th, K в ЖС
- Rn, Kr, Ar в воздухе
105 соб/c  1г U
при 10-9 г-U/г счет 107 соб/т  день

•Borexino is located under the Gran sasso mountain which provides a shield
against cosmic rays (residual flux = 1  /m2 hour);
•The core of the detector is shielded by successive layers of increasingly pure
materials
Core of the detector: 300 tons of liquid
scintillator contained in a nylon vessel
of 4.25 m radius (PC+PPO);
1st shield: 1000 tons of ultra-pure buffer
liquid (pure PC) contained in a stainless
steel sphere of 7 m radius;
2214 photomultiplier tubes pointing
towards the center to view the light
emitted by the scintillator;
2nd shield: 2400 tons of ultra-pure water
contained in a cylindrical dome;
200 PMTs mounted on the SSS pointing outwards to detect light emitted in the water by muons
Лаборатория Гран Сассо
3500 mwe =1.1 m-2 h-2
Монтаж ФЭУ
детектора Борексино
Спектроскопия нейтрино низких энергий
e  115In  115Sn*  e-
115Sn*
 115Sn   (116keV)   497keV)
# жидкий сцинтиллятор (10% In)
> 5000 ph/MeV
# кристаллические сцинтилляционные материалы
Нейтринная геофизика
С небес на Землю.
Строение и состав плохо известны:
- Самая глубокая скважина 12 км.
- Сейсмология реконструирует только
профиль плотности, но не состав.
1. Земное ядро находится в
расплавленном состоянии,
состав и размеры точно не
известны.
2. Возможно в ядре много железа,
из-за вращения планеты возникают
вихревые токи, генерирующие
магнитное поле.
3. Выше ядра – обширная мантия,
верхний слой которой (литосфера)
состоит из тектонических плит.
4. Земная кора – океаническая.
материковая
Изучение теплового потока
Дополнительные сведения даёт исследование теплового потока из земных недр.
60-80 mW/m2  ~40 TW (~ 10 000 АЭС)
Данные 25000 скважин, более чем в 20000 местах
До сих пор неизвестно, какая часть его – первичного происхождения
(остаток тепла «горячей Земли» в момент её образования),
а какая – радиогенная, от распадов радиоактивных изотопов.
По изучению пород земной коры стало ясно, что радиогенный поток образуется
в основном в результате распадов изотопов урана-238, тория-232 и калия-40
Но каков процентный состав этих элементов неизвестно.
Спектры антинейтрино
Оценки:
U в коре (0.2-0.4)×1017кг (отличается в океан. и матер. коре)
в мантии маленькая концентрация, но всего (0.4-0.8)×1017кг
в ядре – пренебрежимо мало
Th/U ~ 4, K/U ~ 10 000
Геонейтрино дают прямое и глобальное измерение содержания урана,
тория и калия. Отбор моделей генерации тепла, формирования
и эволюции Земли.
Internal Energy Sources in the Earth and their Distribution
Total Heat
40TW
(U+Th)Heat = 15TW
New:
GeoReactor=3-10TW ?
Total U: 8.2x10 19 g
Total Th: 33x1019 g
Overall Geo Model:
U,Th (Mantle) = U, Th (Crust);
Borexino 300t
Continental crust 35km
U 1.8ppm; Th 7.2ppm
R
64
Atlantic Crust
Kimballton (100 kT)
American Crust
South Pole
Geomanda
CORE
MANTLE
U 0.01ppm
Th 0.04ppm
0
Eurasian Crust
m
0k
2900 km
Kamland 1kT
Pacific Crust
Hawaii
Oceanic crust 6.5km
U 0.1ppm; Th 0.4 ppm
Результаты первых измерений
KamLAND
 e  p  e  n
2815 соб. ~6.4×106 1/см2с
Q~23-33 TW
BOREXINO
Calculated anti-νe flux at the Gran Sasso Laboratory
(106 cm-2 s-1)
U
Crust
Th
Mantle
3.3
0.95
The number expected events in
Borexino are:
events
6
yr
The background will be:
 19
events
yr
Crust
3.0
Total
(U+Th)
Reactor
BKG
Mantle
0.77
8.0
0.39
ГЕО-реактор
Большая часть урана в центре, образуя природный 3-10 TW реактор.
Цепная реакция деления – источник магнитного поля, источник аномально
высокого отношения 3He/4He потока от Земли, источник недостающей части
теплового потока
Как
образуются в реакторе ?
~6 антинейтрино на акт деления
спектр анти-нейтрино
235U
+ n  A1(Z1,N1) + A2 (Z2,N2) + 2n
A1(Z1,N1)  A1(Z1+1,N1-1) + e- + e

A1(Z1+2,N1-2) + e- + e
A2(Z2,N2)  A2(Z2+1,N2-1) + e- +e

A2(Z2+2,N2-2) + e- +e
Основная трудность – фон от
ядерных реакторов
Нераспространение ядерных материалов
Внедрение технологий детектирования антинейтрино
В чем состоит цель работ ?
разработка и внедрение дополнительных
средств контроля для технического оснащения
атомной отрасли
Первые идеи в Курчатовском институте – конец 70-х
Обоснование – эксперименты Курчатовского института на РАЭС 80-х, 90-х
- Ранний этап – контроль технического состояния реактора
дистанционный ”on-line” контроль и диагностика
внутриреакторных процессов,
измерение энерговыработки и выгорания
Проблема производства оружейного плутония
Начальный состав
238U + 3-5% 235U
n + 238U  239U  238Np  239Pu (T1/2 = 24.1 лет),
n + 239Pu  240Pu + n  241Pu (T1/2 = 14.4 лет).
В чем состоит цель работ ?
- Сегодня – угроза терроризма, проблемы нераспространения
МАГАТЭ – обеспечение гарантий :
! выявление несанкционированных режимов работы реактора
с целью наработки оружейного плутония,
! сопровождение российско-американского договора,
!? прямое измерение количества наработанного плутония,
!? инвентаризация ОЯТ.
Признание МАГАТЭ – декабрь 2003 г. – альтернативы нет
Ливермор (США), Сакле (Франция) – старт национальных проектов.
В чем уникальность метода ?
- Высокая проникающая способность (!)
- Регистрация, не поддающаяся имитации
т.е. фальсификации (!)
n
p
Как устроен детектор
2м×2м×2м
~

ВВЭР-440, Ровенская АЭС
e
>
4
1


p n
>

Gd
e+

?

2
3
~ 1 т водородосодержащего ЖС
Где устанавливается детектор ?
Регистрация ~200 тыс. антинейтрино
соответствует
выгоранию ~400 кг 235U и
накоплению ~150 кг 239Pu
Есть ли пример мониторирования ?
Детектор РОНС
Детектор ВИНД
Цель - контроль отклонений от плановых режимов работы реактора:
- определение суточной энерговыработки с точностью 2-3%
- выявление остановок 2-3 часа (95% CL)
Ближайшие задачи
Современное состояние нейтринной физики позволяет ставить вопросы
практического использования нейтрино для решения таких задач как:
# выявление несанкционированных режимов работы реактора, в том числе с целью наработки
оружейного плутония,
# дистанционный ”on-line” контроль энерговыработки ядерных реакторов, выгорания и
накопления делящихся изотопов в активной зоне,
# мониторинг больших количеств отработавшего ядерного топлива,
# контроль технического состояния и повышения безопасности эксплуатации ядерных
реакторов и др.
Ближайшая задача – разработка опытного образца промышленного детектора анти-нейтрино:
Общие габариты 2м2м2м
Мишень ЖС ~1т.
ФЭУ ~ 50 шт.
Электронный измерительный комплекс
Дальнейшие исследования:
Прямое измерение накопления изотопов плутония
Детектирование анти-нейтрино от ОЯТ, разработка сценариев учета и контроля ОЯТ