Trots op Kernenergie

Neutrino’s tegen proliferatie

Hoe anti-neutrino’s gebruikt kunnen worden om proliferatie van materiaal tegen te gaan waarmee kernwapens gemaakt zouden kunnen worden.

Het “Non-Proliferation of Nuclear Weapons Treaty”, NPT, is een internationaal verdrag om de verspreiding van kernwapens tegen te gaan. De International Atomic Energy Agency is verantwoordelijk voor het naleven van dit verdrag. Zij doen dit door inspecties van de installaties en het monitoren van de stromen van brandstoffen en andere producten die gebruikt worden voor het splijten van kernen. Dit is arbeidsintensief en soms ingrijpend bij het bedrijven van een kerncentrale. Een manier om van buiten af te observeren wat er in een kernreactor gebeurt zou het controleren of men zich aan de afspraken houdt kunnen vereenvoudigen. Anti-neutrino’s die in grote hoeveelheden worden geproduceerd in kernreactoren lijken hiervoor een goed instrument te zijn. Het anti-neutrino spectrum van een reactor hangt namelijk af van het vermogen van de reactor en de soort brandstof. Het anti-neutrino spectrum van een reactor met veel plutonium is meetbaar anders dan van een reactor met veel uranium en is dus een aanwijzing voor hoe de reactor wordt gebruikt. Een passieve relatief simpele neutrino detector op kleine afstand van de reactor kan zulke metingen doen en bijdragen om te controleren of een centrale niet voor andere doeleinden wordt gebruikt dan was afgesproken.

De miniCHANDLER detector van Virgina Tech

Geschiedenis van het neutrino

Het neutrino werd gepostuleerd door Wolfgang Pauli in 1930 lang voordat het door Reines and Cowan in 1956 experimenteel kon worden aangetoond. Pauli noemde het deeltje dat hij nodig had voor zijn theorie van het beta-verval overigens het “neutron”. Fermi veranderde die naam in “neutrino” toen in 1934 het neutron werd ontdekt maar er voor de theorie van het beta-verval toch nog een extra deeltje nodig was. Veel was niet nodig om de theorie sluitend te krijgen, het neutrino hoefde geen massa te hebben en geen lading, alleen spin. Moeilijk om je voor te stellen wat het dan is, iets dat niets is maar toch ronddraait. Alleen in de Quantummechanica kun je zoiets onvoorstelbaars verwachten. Toen Bethe en Peierls uitrekenden hoeveel kans er was dat zo’n deeltje een interactie zou kunnen hebben met materie kwamen ze tot de conclusie dat het wellicht ondetecteerbaar zou blijven.

Met onze kennis van nu, weten we dat neutrino’s inderdaad makkelijk dwars door de aarde heen kunnen vliegen zonder een interactie te hebben met al het materiaal. Wat Bethe en Peierls hadden onderschat is hoeveel neutrino’s er zijn zodat, zelfs als de kans op een interactie miniscuul klein is, dat toch af en toe gebeurt omdat er er zo ontzettend veel van zijn. Uit de ruimte en van de zon afkomstig, vliegen er op elk moment 1014 per seconde door ons lichaam zonder dat er iets gebeurt en zonder dat we het merken. In een kernreactor worden er nog veel meer geproduceerd.

Beta verval

Het beta-verval is het proces waarbij een neutron in een proton overgaat (of een proton in een neutron) plus een electron en een anti-neutrino. Het neutron is zwaarder dan het proton en het verschil in massa komt vrij in de vorm van energie voor het electron.

Het omgekeerde proces proton-naar-neutron kan ook plaatsvinden maar alleen binnen een kern omdat het proton in iets moet veranderen dat zwaarder is dan hijzelf en dus iets nodig heeft om massa aan te onttrekken. Het neutron-naar-proton proces is waarschijnlijker in kernen waarin meer neutronen dan protonen voorkomen en dit is het geval bij bijna alle splijtingsproducten van kernsplijting.

Als je naar bovenstaande grafiek kijkt met alle atoomkernen als functie van het aantal protonen tegen het aantal neutronen dan valt op dat het overschot aan neutronen toeneemt voor zwaardere kernen.  Als zo’n hele zware kern zoals uranium of plutonium splijt in 2 lichtere kernen dan zullen deze een nóg veel groter overschot aan neutronen hebben t.o.v. hun aantal protonen en heel snel via beta-verval dit overschot aan neutronen omzetten in protonen onder uitzending van electronen en anti-neutrino’s omdat dit energetisch gunstiger is. Één neutron in een proton laten vervallen is niet genoeg om het neutronenoverschot significant te doen afnemen. De volgende kern heeft nog steeds teveel neutronen en zal dus verder vervallen opnieuw onder uitzending van een electron en een anti-neutrino.

Zo vormt zich een hele vervalsketen tot uiteindelijk kernen ontstaan waarin het overschot aan neutronen niet meer zo hoog, zodat ze óf stabiel zijn óf alleen nog maar af en toe een neutron in een proton laten vervallen. Dit mengsel van nog een beetje radioactieve kernen en stabiele isotopen noemen we in het geval van een kernreactor het “kernafval”. In bovenstaande figuur zijn 2 van deze vervalsketens te zien, de één begint bij barium-144 en eindigt bij stabiel neodymium-144, de ander begint bij krypton-89 en eindigt bij stabiel yttrium-89. De meeste van deze vervalsketens worden heel snel doorlopen, fracties van seconden waarbij heel veel energie vrijkomt in de vorm van de electronen uit het beta-verval en gamma’s omdat de kernen na een beta verval niet in de grondtoestand eindigen maar in een aangeslagen toestand waardoor ze ook nog gammastraling uitzenden. Het zijn vooral deze vervalsketens die de energie (warmte) produceren in een kernreactor.

Experimenten van Reines en Cowan

Reines en Cowan realiseerden zich in 1956 dat bij kernsplijting massa’s aan neutrino’s vrijkomen. In een moderne operationele 1 GW reactor worden 2 x 1020 kernen per seconde gespleten en komt er een veelvoud hiervan (6x) aan anti-neutrino’s vrij uit het verval van de splijtingsproducten. Zij kregen toegang tot de Savannah River Reactor in Oak Ridge, een 20 MW reactor die vooral werd gebruikt om plutonium te kweken. Ze zochten naar een signaal van het Inverse Beta Decay (IBD), een omkering van het proces in de splijtingsproducten waarbij een anti-neutrino een proton doet omvormen tot een neutron en een positron, een positief geladen electron.

Het neutron is zwaarder dan het proton dus het neutrino moet minstens dat massaverschil goedmaken plus nog de massa van het positron. Dat betekent dat alleen neutrino’s met een energie van 1,8 MeV of meer deze reactie kunnen bewerkstelligen. De neutrino’s van de splijtingsproducten hebben echter een energie die kan oplopen tot 8 MeV dus die energie is ruimschoots voorhanden. Het IBD proces is experimenteel aantrekkelijk omdat er 2 detecteerbare deeltjes bij vrijkomen. De kans dat deeltjes die ongestoord dwars door de aarde heen kunnen vliegen toch een keer een proton raken is heel klein maar als je er 1013 per seconde van hebt zoals het geval is bij de Savannah reactor is veel mogelijk.

De detector van Reines en Cowan was een tank met water. De antineutrino’s reageren met de protonen uit het water en produceren een positron (een positief geladen electron) en een neutron. Het positron valt snel uit elkaar (dit heet annihilatie) en produceert 2 gamma’s, lichtflitsjes die kunnen worden gemeten met scintillatoren die in de watertank zijn gemonteerd. Om ook het neutron te kunnen meten is er hoeveelheid cadmiumchloride CdCl2 in het water opgelost. Cadmium-108 is een goede neutronabsorber.

Bij dit proces komt ook een gammadeeltje vrij. Het neutron wordt echter alleen geabsorbeerd als het bijna al z’n energie door botsingen in het water is verloren en dat duurt heel even. Daarmee wordt de manier om anti-neutrino’s aan te tonen te zoeken naar signalen waarmee 2 gamma’s vrijkomen van het annihilerende positron en korte tijd (microseconden) daarna nog 1 van het ingevangen neutron. In de buurt van een kernreactor bestaat veel achtergrond aan gammastraling zodat het meten aan gamma’s altijd moeilijk is maar de speciale signatuur van 2 gamma’s en kort daarna nog 1 maakten het toch mogelijk om op deze manier het anti-neutrino aan te tonen en de Nobelprijs te verdienen.

Toen eenmaal was aangetoond dat neutrino’s echt bestonden zijn er heel veel meer studies gedaan aan kernreactoren, aan deeltjesversnellers en diep ondergronds om kosmische neutrino’s te begrijpen. In de eerste plaats moesten er 3 soorten bestaan en worden aangetoond. De vraag of ze toch misschien een heel klein beetje massa hadden werd vooral bestudeerd door te kijken of ze tussen de verschillende soorten konden oscilleren, een quantummechisch verschijnsel  dat alleen mogelijk is als de massa niet nul is. Die oscillaties zijn gevonden en we weten dus dat de massa niet nul is maar nog steeds niet niet hoe groot, of eigenlijk hoe klein, die dan is.

Het energiespectrum van de anti-neutrino’s

De Savannah reactor waaraan Reines en Cowan werkten werd vooral gebruikt om Plutonium te kweken. Pu-239 onstaat in een reactor doordat neutronen worden ingevangen in U-238, het niet-splijtbare isotoop van uranium. U-238 gaat over in U-239 en dat vervalt via betaverval naar Np-239 en ten slotte naar Pu-239. Zie ook het tweede plaatje hierboven in dit stuk. Als je puur Pu-239 wilt hebben voor het maken van explosieven moet je het plutonium regelmatig uit de brandstofkern verwijderen anders splijt Pu-239, of het vangt nóg een neutron in en wordt Pu-240. Als zich in het plutonium teveel Pu-240 bevindt is het minder goed bruikbaar voor het maken van explosieven. Achteraf Pu-239 van Pu-240 scheiden is heel erg moeilijk. Dit maakt dat zich in een reactor die gebruikt wordt voor het maken van explosieven weinig plutonium bevindt. De anti-neutrino’s die Reines en Cowan maten kwamen dus vooral van de splijtingsproducten van U-235.

Er zijn heel veel meer soortgelijke experimenten gedaan ook en vooral aan reactoren die voor elektriciteitsproductie worden gebruikt. Deze reactoren hebben een veel hoger vermogen en produceren nog veel meer anti-neutrino’s. Dit maakt dat de kwaliteit van de metingen aanzienlijk kon worden verbeterd. Het principe van de metingen via IBD is echter nog veelal hetzelfde. Eerst werd Gadolinium in plaats van Cadmium gebruikt om het neutron te meten en nog later Lithium. Gadolinium is nog gretiger om een neutron te absorberen en zendt daarna een niet te missen hoog energetische (8 MeV) gamma uit. Door het gebruik van Lithium kon ook de precieze plaats van de interactie met het anti-neutrino in de detector bepaald worden. Deze verbeteringen dienden vooral om beter de gezochte gevallen van achtergrond te onderscheiden. Door het gebruik van betere methodes om de gamma’s te meten die ontstaan uit de annihilatie van het positron is men nu in staat de energie van het inkomende ani-neutrino beter te bepalen. De vorm van de puls die uit de versterker van de scintillator komt is afhankelijk van de energie van de gamma’s en dus van de energie van het positron. Hiermee kon worden gemeten wat op grond van de theorie al voorspeld was, namelijk dat de energie van de anti-neutrino’s afkomstig van splijtingsproducten van U-235 verschilt van die van Pu-239. 

 

Bij normaal gebruik van een reactor voor energieopwekking vormt zich vanzelf plutonium. Bij een 4% U-235 verrijking heeft zich na een aantal jaren zoveel Pu-239 gevormd dat evenveel plutonium wordt gespleten als uranium. Er komen dan ook evenveel anti-neutrino’s van de splijtingsproducten van U-235 als van de splijtingsproducten van Pu-239. Als het plutonium regelmatig wordt verwijderd worden er (bijna) alleen anti-neutrino’s gemeten van de splijtingsproducten van U-235. Door nauwkeurig de energieën van de anti-neutrino’s te meten is dus uit te vinden hoeveel plutonium er nog in de brandstof zit en dat kan een aanwijzing zijn voor waar de reactor voor wordt gebruikt.

Er is nog wel een lange weg te gaan tot neutrinodetectoren effectief kunnen worden gebruikt tegen proliferatie van plutonium. De laatste modellen zijn compact genoeg om altijd wel een plek te vinden in de nabijheid van een reactor. De bediening en uitlezing van de detector kan op afstand gedaan worden. Ook moet er regelgeving worden gemaakt. De experimentele resultaten zijn echter hoopgevend.

Gebruikte bronnen:

CERN courier, neutrino’s for peace

PROSPECT, Precission oscillation and Spectrum Experiment

Brittanica, Fission decay chains and charge distribution

Virginia Tech, Observation of Reactor Antineutrinos with the CHANDLER Detector  (Thesis of Tulasi Prasad Subedi)

 

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin

Artikelen ook over dit onderwerp

In de pers
Thema's

Veiligheid