Эксперимент GEMMA

Нейтринная физика на Калининской АЭС

Экспериментальная физика нейтрино неразрывно связана с ядерными реакторами, где мощные потоки антинейтрино образуются при бета-распадах осколков деления. Реактор с тепловой мощностью три ГВт генерирует ~ 6*10²⁰ антинейтрино в секунду. Использование реакторов для изучения фундаментальных свойств (анти)нейтрино было начато в 1953-1956 гг. в США на реакторе Savanna River, где в экспериментах Райнеса и Коуэна впервые наблюдалось взаимодействие нейтрино с веществом. С конца 70-х нейтринные эксперименты на реакторах были начаты в Европе (Goesgen - Швейцария; Bugey, CHOOZ - Франция) и СССР (Ровенская и Красноярская АЭС). Наша группа, включающая работников ИТЭФ и Дубны, приступила к экспериментальным работам по нейтринной физики на Калининской атомной станции (КАЭС) семь лет назад. Тематика проводимых и планируемых работ на КАЭС включает проекты по фундаментальным и прикладным направлениям. Это эксперимент по измерению магнитного момента нейтрино и проект создания детектора антинейтрино DANSS для дистанционного измерения параметров реактора в реальном масштабе времени.

Рис.1. Устройство спектрометра GEMMA I:

• (1) - германиевый кристалл,
• (2) - сцинтилляционный счетчик NaI(Tl),
• (3) - медный слой пассивной защиты,
• (4) - борированный полиэтилен,
• (5) - слой свинца,
• (6) - внешний сцинтилляционный счетчик,
• (7) верхняя подвижная часть защиты.

Изучение свойств нейтрино является одной из главных задач современной физики элементарных частиц. На этом направлении в последние годы достигнуты замечательные успехи. Из анализа результатов, полученных в экспериментах по поиску осцилляций атмосферных, солнечных и реакторных нейтрино, сделаны выводы о существовании конечной нейтринной массы и определено большинство параметров нейтринных состояний. Однако многие фундаментальные свойства нейтрино остаются до сих пор неизвестными. Неизвестна величина магнитного момента нейтрино (ММН), а также неизвестно имеет ли нейтрино античастицу (Дираковский тип нейтрино) или является истинно нейтральной частицей (Майорановское нейтрино). В Стандартной Модели с минимальным расширением магнитный момент Дираковского нейтрино выражается через массу нейтрино и имеет очень маленькую величину ~ 10^-19μ_B (μ_B - магнетон Бора), недоступную для наблюдения в современных экспериментах. Вместе с тем, в ряде расширений Стандартной Модели нейтрино вне зависимости от величины массы могут иметь магнитный момент порядка (10^-10 - 10^-12) μ_B. Помимо теоретических расчетов представление о величине ММН можно получить из анализа параметров некоторого класса звезд на последней стадии их эволюции, когда нейтринные потоки уносят подавляющую часть теряемой звездами энергии. Можно ввести ограничения на ММН из оценок таких параметров, как массы гелиевых звезд в момент вспышки, светимость Белых карликов и энергетический спектр нейтрино от взрыва Сверхновой. Однако следует помнить, что астрофизические оценки являются модельно-зависимыми. В последние годы был выполнен ряд теоретических расчетов, в которых показано, что из экспериментального обнаружения ММН следуют два фундаментальных следствия. Во-первых, это означало бы, что нейтрино является Майорановской частицей, т.е. нейтрино и антинейтрино тождественны. Во-вторых, полученная в эксперименте величина ММН, указывала бы на верхнюю энергетическую границу применимости Стандартной Модели, выше которой начинается новая Физика. Для проверки гипотезы о существовании у нейтрино аномально большого магнитного момента и установления границ применимости Стандартной Модели крайне актуальным является увеличение чувствительности лабораторных измерений ММН.

Экспериментальные измерения ММН - μ_ν основаны на выделении его вклада в процесс рассеяния (анти)нейтрино на электроне. С помощью различного типа детекторов измеряются спектры рассеянных электронов. При уменьшении энергии рассеянного электрона вклад от электромагнитных взаимодействий в общий процесс рассеяния стремительно нарастает. Поэтому понижение энергетического порога детектора приводит к столь же резкому увеличению чувствительности измерений. В ”реакторных” экспериментах имеется возможность существенно повысить чувствительность измерений за счет разностного метода. Он основан на сравнении спектров, набранных при работающем - "on" и заглушенном - "off" реакторе.

Более пятнадцати лет назад М.Б. Волошиным и А.С. Старостиным (ИТЭФ) было предложено использовать в измерениях ММН низкофоновый германиевый спектрометр (НГС). Эта идея бала реализована в 1998 году в рамках программы GEMMA (Germanium Experiment on the measurement of Magnetic Moment of Antineutrino). Одним из достоинств НГС является низкий уровень собственных шумов и практическое отсутствие радиоактивных примесей. Сочетание этих качеств позволяет проводить измерения, начиная с энергии в несколько КэВ.

Измерения ММН в эксперименте GEMMA проводятся на втором блоке Калининской атомной станции. В качестве спектрометра используется детектор из сверхчистого германия весом 1.5 кг, окруженный многослойной защитой от всех видов внешнего излучения - радиационного, нейтронного и космического. Комбинированная защита состоит из активных и пассивных элементов (Рис. 1). Её использование позволило уменьшить фон внешних источников излучения почти в миллион раз (Рис. 2).

Рис. 2. Спектр низкофонового Ge-NaI спектрометра измеренный без защита, только с пассивной защитой и с пассивной + активной защитой. Фактор подавления фона в области низких энергий превышает пять порядков.

Установка располагалась на расстоянии 14 м от центра активной зоны реактора с тепловой мощностью 3.0 ГВт. При этом плотность потока антинейтрино на детекторе достигал 2.7*10¹³ антинейтрино на квадратный сантиметр в секунду. Набор данных проводился при работающем ("on") и заглушенном реакторе("off") в течение четырех лет, начиная с августа 2005 года. Продолжительность измерений в режимах "on" и "off" составила 19000 и 4600 часов, соответственно. По результатам обработки данных было поставлено ограничение на величину ММН - μ_ν< 3.2*10^-11 μ_B Это лучший результат в мире за более чем тридцатилетнюю историю проведения подобных экспериментов. В настоящее время ведется подготовка эксперимента GEMMA II (Рис. 3).

Рис. 3. Установка GEMMA II на подвижной платформе.
Установка собирается на платформе на уровне пола,
затем с помощью подъемных устройств (синие колонны)
поднимается к потолку помещения. Таким образом,
за счет сокращения расстояния между детектором и
центром активной зоны реактора поток антинейтрино
увеличивается в полтора раза. В рамках этого проекта
мы планируем вдвое увеличить поток антинейтрино и в
четыре раза массу германиевого детектора, значительно
понизить уровень фона. Перечисленные шаги позволят
достигнуть в проекте GEMMA II чувствительности
μν~1.0*10-11 μB и, тем самым, резко повысить
вероятность выхода за пределы действующей
Стандартной Модели.

Как правило, на определенном этапе развития фундаментальной науки появляется возможность использовать накопленные знания в прикладных целях. Именно это наблюдается сейчас в "реакторном" разделе нейтринной физике. До последнего времени основным направлением «реакторных» опытов было изучение фундаментальных свойств нейтрино. По мере увеличения чувствительности экспериментов потребовались, с одной стороны, более углубленные знания о спектрах реакторных антинейтрино и их зависимости от параметров реактора, и, с другой стороны, увеличение размеров и уменьшения фона экспериментальных установок. В результате появилась принципиальная возможность поставить обратную задачу, использовать детекторы антинейтрино для дистанционной диагностики работы реактора. Измерения параметров реактора с помощью детектора антинейтрино основаны на строгой зависимости между тепловой мощностью реактора и плотностью потока антинейтрино, а также между формой спектра антинейтрино и составом ядерного топлива.

Первые положительные результаты в области нейтринной диагностики были получены на Ровенской АС в середине 80-х, группой из Курчатовского института, возглавляемой Львом Александровичем Микаэляном. Измерения проводились на жидко-сцинтилляционном спектрометре РОНС, расположенном в специальной лаборатории под реактором ВВЭР 440, на расстоянии 18 м от центра активной зона. Для регистрации реакторных антинейтрино (РА) использовалась реакция обратного бета-распада на протонах рабочего вещества детектора. Скорость счета РА составляла ~ 900 событий в сутки. В спектрометре РОНС частично воспроизводился спектр реакторных антинейтрино, а интегральная скорость счета позволяла довольно точно судить об энерговыделении реактора. Были сделаны первые шаги по развитию методов дистанционного определения композитного состава топлива в активной зоне реактора в реальном масштабе времени. Работы по нейтринной диагностике на Ровенской станции были остановлены в начале 90-х годов. Прошло более десяти лет,прежде чем значение этих опытов было по-настоящему оценено научным сообществом и стало основой прикладной нейтринной физики.

Предложенный нашей группой проект детектора антинейтрино (ДАН) DANSS (Detector Anti Neutrino from Solid Scintillator) является развитием этого направление. Это прибор нового поколения, основанный на последних достижениях экспериментальной физики. По всем параметрам он превосходящий, как спектрометр РОНС, так и проектируемые в настоящее время зарубежные аналоги. Впервые для регистрации РА будет использован твердый сцинтиллятор (ТС). Это качество создает большие удобства при монтаже, перемещении и изменении конфигурации детектора. DANSS единственный детектор, среди мировых аналогов, отвечающий всем рекомендациям экспертов МАГАТЭ.

Рис. 4. Общий вид спектрометра DANSS. Детектор может быть использован для измерения
параметров стандартного водо- водяного реактора (например, ВВЭР-1000) и реакторов на быстрых
нейтронах (БН800, БН1000). Ожидаемая скорость счета антинейтрино около 10000 событий в
сутки, что соответствует статистической точности измерений 1%.

DANSS будет представлять собой сцинтилляционный пластмассовый детектор объемом 1 м3, разбитый на 2500 ячеек и на десять самостоятельных секций, по 250 ячеек в каждой (Рис. 4). Исходные данные DANSS позволяют в реальном масштабе времени решать следующие задачи: измерять тепловую мощность реактора с точностью ~ 2% за одни сутки; определять композитный состав топлива и скорость наработки 239Pu с точностью ~ 5%; обеспечивать томографию реакторного блока. Помимо этого, детектор антинейтрино позволяет осуществлять контроль за регламентом извлечения стержней, обогащенных 239Pu. Тем самым, могут решаться задачи по нераспространению продуктов ядерного деления и несанкционированным производством оружейного плутония.

В настоящее время мы закончили расчетные и опытные работы и приступили к изготовления детектора. За три года будет изготовлен сам детектор антинейтрино, его активная и пассивная защита, сопутствующая электроника и программное обеспечение, проведены полные лабораторные испытания. Имеется договоренность с администрацией КАЭС о проведении совместных измерений с помощью детектора DANSS параметров четвертого блока КАЭС. Заинтересованность в выполнении данного проекта выражена администрацией отдела МАГАТЭ, отвечающего за контроль над продуктами ядерного деления на атомных станциях.

Нам представляется, что наряду с уже имеющимися методами контроля параметров ядерного реактора, использование детектора антинейтрино становится чрезвычайно актуальной в силу следующих обстоятельств. Во-первых, меняется характер эксплуатации уже построенных АЭС. Существенно увеличивается длительность компаний, что ведет к пересмотру старых методов контроля работы реактора. Во-вторых, намечено строительство нового поколения реакторов на быстрых нейтронах (РБН), длительность топливного цикла которых может составлять три–четыре года. Отсутствие прямых методов контроля работы РБН в реальном масштабе времени при столь продолжительных компаниях может привести к снижению эффективности их работы.

В последнее время широко обсуждаются аномалии, наблюдаемые в ряде нейтринных экспериментов, которые можно рассматривать как указание на нейтринные осцилляции с Δm²=(0.2 - 0.9) eV². Подтверждение этого феномена означало бы существование наряду с известными 3-мя типами активных нейтрино одного или нескольких стерильных нейтрино. Нейтринные осцилляции со столь большим Δm² на расстояниях в несколько метров от источника нейтрино. Для решения этой фундаментальной задачи можно использовать спектрометр DANSS, который планируется установит под 4-м блоком КАЭС через два года. Как показывают расчеты, сравнение позитронных спектров, набранных на спектрометре DANSS на расстояниях 11 и 16 метров от центра активной зона реактора может с высокой точностью (Sin²2θ ~ 0.005) проверить наличие осцилляций (Рис. 5, 6).