反應(yīng)堆中微子探測(cè)器技術(shù)在核安全領(lǐng)域應(yīng)用前景綜述

2023 年11 月，日本科學(xué)家發(fā)表論文稱開發(fā)了一種基于反應(yīng)堆中微子的算法，可遠(yuǎn)程估算美濱3 號(hào)輕水堆運(yùn)行狀態(tài)、燃料燃耗和燃料成分。中微子是一種基本粒子，于1956 年首次發(fā)現(xiàn)，其基本性質(zhì)仍在探索中，相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究至今仍是基礎(chǔ)科學(xué)的重要前沿。核反應(yīng)堆是中微子主要來源之一，探測(cè)反應(yīng)堆中微子強(qiáng)度變化，可獲取反應(yīng)堆運(yùn)行核心信息。

1 反應(yīng)堆中微子探測(cè)器技術(shù)基礎(chǔ)

反應(yīng)堆中微子主要源自堆芯核反應(yīng)，富中子核素經(jīng)過β衰變，產(chǎn)生電子反中微子（稱“反應(yīng)堆中微子”）。一座熱功率百萬千瓦反應(yīng)堆每秒鐘可以產(chǎn)生約1020個(gè)中微子。

反應(yīng)堆中微子數(shù)量與反應(yīng)堆功率成正比，其信號(hào)能反映出裂變?cè)葱再|(zhì)。但中微子只參與弱相互作用，極難探測(cè)。反應(yīng)堆中微子探測(cè)器利用中微子與質(zhì)子發(fā)生的逆β 衰變反應(yīng)探測(cè)反應(yīng)堆中微子。距離一座熱功率百萬千瓦的反應(yīng)堆10米遠(yuǎn)處的1千克探測(cè)器，1年約獲得4000個(gè)計(jì)數(shù)。由此估算，日本神岡反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)1000噸探測(cè)器規(guī)模，對(duì)200千米距離處的航空母艦動(dòng)力堆1 年可獲得約10 個(gè)計(jì)數(shù)，與本底相當(dāng)。而中微子的其他相互作用在反應(yīng)堆中微子探測(cè)應(yīng)用中尚未成熟。

表1 列出了全球部分代表性反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了當(dāng)前反應(yīng)堆中微子探測(cè)器技術(shù)方法類型。探測(cè)器主要使用富含質(zhì)子的純水或液體閃爍體等同時(shí)作為反應(yīng)堆中微子反應(yīng)的靶物質(zhì)和探測(cè)介質(zhì)。為提升探測(cè)靈敏度和減少宇宙射線干擾，探測(cè)器需要盡可能大質(zhì)量和盡可能低本底，實(shí)驗(yàn)裝置一般部署在地下。

2 基礎(chǔ)科學(xué)研究引領(lǐng)探測(cè)器技術(shù)持續(xù)進(jìn)步

自?shī)W地利物理學(xué)家泡利1930 年提出中微子預(yù)言后，1956 年美國(guó)科學(xué)家通過反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)首次檢測(cè)出中微子信號(hào)。此后，法國(guó)舒茲實(shí)驗(yàn)等通過改進(jìn)反應(yīng)堆中微子探測(cè)器技術(shù)，提升了探測(cè)效率和置信度。2002 年，日本神岡反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)將1000 噸探測(cè)器部署在地下等效水深2700 米處，與50 多座動(dòng)力堆的加權(quán)平均距離是180 千米，首次觀測(cè)到反應(yīng)堆中微子振蕩，有助于確定中微子是具有質(zhì)量的粒子。

迄今為止，各國(guó)建造的反應(yīng)堆中微子探測(cè)器都在噸到萬噸量級(jí)，探測(cè)器在設(shè)計(jì)、理論模型和實(shí)驗(yàn)技術(shù)上不斷進(jìn)步，探測(cè)效率和置信度不斷提高，推動(dòng)科學(xué)前沿發(fā)展。近年來，一些反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)通過改進(jìn)本底抑制、能譜解析等方法，實(shí)現(xiàn)中微子探測(cè)器小型化和近地表安置。

近年世界三大反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)為我國(guó)大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)（2011—2020 年）、法國(guó)雙舒茲實(shí)驗(yàn)（2011—2017 年）和韓國(guó)里諾實(shí)驗(yàn)（2011 年至今）。其中，我國(guó)大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)通過使用多個(gè)全同探測(cè)器進(jìn)行相對(duì)測(cè)量，消除探測(cè)器相關(guān)不確定性，實(shí)現(xiàn)中微子振蕩混合角全球最精確測(cè)量，極大完善了中微子理論。我國(guó)江門中微子實(shí)驗(yàn)正在建設(shè)全球首個(gè)萬噸級(jí)探測(cè)器，將解決中微子質(zhì)量順序等關(guān)鍵物理難題。

表1 全球具有代表性的反應(yīng)堆中微子探測(cè)器系統(tǒng)

3 探測(cè)器技術(shù)實(shí)用化驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)可行性

20 世紀(jì)80 年代開始，多國(guó)在測(cè)定了反應(yīng)堆主要核素的特征中微子能譜后，進(jìn)行了一些以增強(qiáng)核安全技術(shù)手段為目的的反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)。隨著探測(cè)器技術(shù)成熟及對(duì)反應(yīng)堆中微子研究的加深，美國(guó)能源部反應(yīng)堆中微子探測(cè)器技術(shù)實(shí)用化研究小組2021 年發(fā)布報(bào)告，認(rèn)為探測(cè)器技術(shù)已具有實(shí)用化潛力。

該技術(shù)通過測(cè)量反應(yīng)堆中微子及其能譜，可獲得有關(guān)反應(yīng)堆是否運(yùn)行、運(yùn)行功率、燃料核素成分等相關(guān)信息，具有非侵入性、抗干擾、抗屏蔽和保密性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，不會(huì)對(duì)被探測(cè)對(duì)象造成干擾或者其他中斷，不暴露監(jiān)測(cè)任務(wù)本身范圍以外的敏感信息，不需要了解反應(yīng)堆運(yùn)行歷史的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

美、法、加、日等國(guó)已陸續(xù)開展一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的640 千克小型中微子探測(cè)器桑格斯，2007 年證明通過測(cè)量中微子通量和能譜可監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆運(yùn)行狀態(tài)；法國(guó)在距離奧西里斯研究堆7 米處部署800 千克中微子探測(cè)器，2016 年探測(cè)出堆芯內(nèi)钚含量；美國(guó)錢德勒實(shí)驗(yàn)2020年通過使用80千克固體閃爍體，實(shí)現(xiàn)了小型化、可移動(dòng)、地表探測(cè)器原型部署；加拿大薩德伯里+中微子觀測(cè)國(guó)際合作組2023 年3 月首次使用純水監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)達(dá)240 千米以外的反應(yīng)堆運(yùn)行狀況；美英守望者實(shí)驗(yàn)正在建造千噸級(jí)探測(cè)器，目標(biāo)是展示使用摻釓水切倫科夫探測(cè)器對(duì)25千米以外英國(guó)哈特爾普爾反應(yīng)堆的監(jiān)測(cè)能力；日本科學(xué)家2023 年11 月利用自研算法確認(rèn)了可利用反應(yīng)堆中微子能譜實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆。

4 應(yīng)用領(lǐng)域前景廣泛但仍面臨實(shí)踐難題

在保障監(jiān)督與核查領(lǐng)域，中微子探測(cè)器技術(shù)可廣泛用于先進(jìn)反應(yīng)堆、核材料生產(chǎn)堆、乏燃料貯存與處置等設(shè)施的保障監(jiān)督與核查。最具應(yīng)用潛力的是開展非侵入性反應(yīng)堆保障監(jiān)督、新型反應(yīng)堆非固體核燃料或頻繁更換燃料場(chǎng)景保障監(jiān)督、反應(yīng)堆內(nèi)易裂變材料存量監(jiān)測(cè)和反應(yīng)堆秘密生產(chǎn)核材料行為探知。

在核事故響應(yīng)和處置領(lǐng)域，如福島核事故中，一些關(guān)鍵區(qū)域的輻射水平過高導(dǎo)致探測(cè)儀表無法運(yùn)作，極大妨礙了事故后制定應(yīng)急響應(yīng)對(duì)策和處置方案。對(duì)于堆芯熔化事故，中微子探測(cè)器原則上可以指示正在發(fā)生的裂變反應(yīng)，確定堆芯組件與乏燃料狀態(tài)，同時(shí)不會(huì)對(duì)事故源項(xiàng)產(chǎn)生干擾。

在反應(yīng)堆儀表控制領(lǐng)域，中微子探測(cè)器可為部分動(dòng)力堆嚴(yán)酷環(huán)境下的儀表提供交叉校正，如作為沸水堆的再校準(zhǔn)參考。中微子探測(cè)器系統(tǒng)開發(fā)既可以獨(dú)立于反應(yīng)堆設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，也可以與反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成節(jié)省更多成本。

當(dāng)前反應(yīng)堆中微子探測(cè)器技術(shù)實(shí)用化仍面臨巨大挑戰(zhàn)。反應(yīng)堆中微子探測(cè)器技術(shù)是利用大量介質(zhì)探測(cè)微小概率事件，該技術(shù)設(shè)施部署龐大，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，造價(jià)高昂，同時(shí)仍需在提高能量分辨率、降低本底干擾和完善算法模型方面破解基礎(chǔ)物理和實(shí)踐限制。按照具體應(yīng)用場(chǎng)景，探測(cè)器距離反應(yīng)堆越遠(yuǎn)，信號(hào)越微弱，裝置尺寸越大，造價(jià)越貴。距離反應(yīng)堆約100米的探測(cè)器需達(dá)到1 至10 噸，尺度至少3 米，每噸造價(jià)100 萬至200 萬美元；距離100 千米需達(dá)到千噸以上。

5 小結(jié)

反應(yīng)堆中微子探測(cè)器技術(shù)是通過收集和識(shí)別中微子信號(hào)，監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆運(yùn)行狀況，包括反應(yīng)堆功率和堆芯易裂變材料成分。由于中微子具有極少與其他粒子發(fā)生相互作用的特性，該技術(shù)可靠性和獨(dú)立性強(qiáng)，具有非侵入性，但造價(jià)成本高、裝置敏感、信號(hào)隨探測(cè)距離衰減大。多國(guó)已開展1 噸到1000 噸探測(cè)器規(guī)模的示范驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，在探測(cè)反應(yīng)堆運(yùn)行或關(guān)閉狀態(tài)、研制小型化裝置、探測(cè)堆芯钚材料含量等方面形成初步經(jīng)驗(yàn)。反應(yīng)堆中微子探測(cè)器技術(shù)在核安全領(lǐng)域最具有前景的應(yīng)用領(lǐng)域是先進(jìn)反應(yīng)堆保障監(jiān)督和核條約核查；尚需進(jìn)一步技術(shù)開發(fā)的應(yīng)用領(lǐng)域是乏燃料監(jiān)督和事故后響應(yīng)；有潛在應(yīng)用可能的是國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)現(xiàn)行保障監(jiān)督、反應(yīng)堆儀表控制和非合作性的反應(yīng)堆監(jiān)測(cè)。