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Cientistas da Universidade de Sheffield e da Universidade do Havaí desenvolveram uma nova técnica para monitoramento remoto nuclear reatores usando oscilações de antineutrinos.
Esta abordagem inovadora poderia revolucionar os esforços de segurança nuclear e de não-proliferação, oferecendo um método não intrusivo para rastrear as atividades dos reatores a longas distâncias.
“Os antineutrinos de reatores nucleares têm potencial para serem usados para monitoramento de reatores no campo médio a distante sob certas condições”, escreveram pesquisadores envolvidos em um novo estudo que detalha as descobertas. “Os antineutrinos são um sinal não blindado e carregam informações sobre o núcleo do reator e a distância que percorrem. Como os antineutrinos carregam informações sobre a distância percorrida em seu espectro de energia, as análises podem ser estendidas para uma análise espectral para obter mais conhecimento sobre o núcleo detectado.”
A energia nuclear desempenha um papel crucial na geração global de energia. No entanto, persistem preocupações com a segurança, a utilização indevida dos reactores e o desvio de materiais para a proliferação de armas. Com um aumento esperado de 80% na capacidade nuclear até 2050, conforme previsto pelo Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA), a salvaguarda dos reactores tornou-se mais urgente do que nunca.
Os métodos tradicionais de monitorização das operações dos reactores, tais como inspecções no local e contabilização de itens, são eficazes mas limitados, especialmente para garantir o cumprimento dos tratados de não proliferação nuclear.
Entra em cena a detecção de antineutrinos, uma tecnologia que oferece uma nova fronteira para o monitoramento de reatores.
Num estudo publicado em Avanços AIP em 1º de outubro de 2024, a equipe de pesquisa, liderada pelo Dr. Steve Wilson, pesquisador associado em física de partículas e astrofísica de partículas na Universidade de Sheffield, explorou o potencial do uso de emissões de antineutrinos para rastrear atividades de reatores nucleares de médio a distante distâncias de campo.
A análise da equipe, baseada em um protótipo de detector usando um cintilador líquido à base de água, oferece insights promissores sobre a capacidade da tecnologia de detectar remotamente sinais de reatores subterrâneos sem acessar o complexo do reator.
Antineutrinos: Assinatura Inprotegível da Natureza
Antineutrinos são partículas subatômicas produzidas em grandes quantidades durante a fissão nuclear. Cada reação de fissão dentro de um reator nuclear produz um fluxo de antineutrinos que não pode ser protegido, tornando-os um sinal não mascarável que pode transportar informações sobre o núcleo do reator.
Estas partículas viajam grandes distâncias, transportando dados vitais sobre a produção de energia, composição do núcleo e até a distância entre o reator e o detector.
O conceito de usar a detecção de antineutrinos para monitoramento de reatores não é novo. Anterior estudos demonstraram a viabilidade do monitoramento de reatores de curta distância usando antineutrinos, mas esta última pesquisa vai um passo além.
Ao focar nas oscilações dos antineutrinos – um fenômeno quântico em que o sabor de um neutrino muda à medida que ele se propaga espaço-a equipe desenvolveu uma técnica de análise espectral capaz de determinar a localização do reator sem acesso prévio às instalações.
“Uma vez produzidos, os neutrinos nem sempre permanecem num único sabor”, explicaram os investigadores. “Eles podem oscilar de maneira dependente da distância e da energia, com a emissão e o mecanismo de detecção dominante para neutrinos do reator envolvendo antineutrinos com sabor de elétrons.”
“Ao obter o espectro de energia dos antineutrinos de elétrons de uma fonte, informações sobre a distância percorrida podem ser determinadas juntamente com a potência do reator e a composição do núcleo. Isso pode ser usado para identificar a fonte de um sinal de reator ou verificar um sinal conhecido, confirmando se o espectro é o esperado.”
Detectando reatores de energia nuclear à distância
No seu estudo, os investigadores aplicaram a sua técnica a cenários do mundo real, examinando locais de reactores no Reino Unido e em França. Usando um detector hipotético localizado na mina Boulby, no Reino Unido, a equipe simulou sinais de reatores próximos e distantes, incluindo Hartlepool, Heysham e Gravelines.
O detector, um O detector Cherenkov à base de água dopado com gadolínio foi projetado para capturar as oscilações sutis dos antineutrinos à medida que saíam do reator. Ao realizar uma análise da transformada de Fourier no espectro do antineutrino, a equipe conseguiu determinar a distância entre o reator e o detector com uma precisão impressionante, mesmo a centenas de quilômetros de distância.
No entanto, o estudo destacou certas limitações no design atual do detector. Embora a técnica tenha se mostrado promissora, o detector existente à base de água teve dificuldade para monitorar reatores distantes dentro de um prazo razoável.
Com base no número de incertezas de fundo, seriam necessários 21 anos para determinar o alcance e o espectro completo do complexo de Heysham, localizado a 93 milhas (149 quilómetros) do local do detector. Reatores mais distantes, como o de Gravelines, na França, a 441 km de distância, exigiriam mais de um século de monitoramento para produzir útil dados.
Apesar dessas limitações, o estudo fornece uma base sólida para avanços futuros na detecção de antineutrinos. A equipe acredita que outros designs de detectores, como o Detector de cintilador líquido JUNO ou a proposta Detector à base de água Theiapoderia reduzir significativamente os tempos de observação e melhorar a precisão da detecção.
Tanto o JUNO quanto o Theia prometem resolução energética superior, o que poderia tornar os reatores de curta distância mais fáceis de monitorar, ao mesmo tempo que melhora as capacidades de detecção de longo alcance.
Os avanços na detecção de antineutrinos têm implicações significativas para a segurança nuclear global. A tecnologia poderia servir como um sistema de alerta precoce para detectar operações clandestinas de reactores ou actividades de combustível não autorizadas, se fosse refinada e implementada em grande escala.
Poderia também complementar as salvaguardas existentes, fornecendo uma ferramenta de verificação independente, garantindo o cumprimento dos tratados internacionais, como o Tratado de Não Proliferação de Armas Nucleares (TNP).
Em última análise, a detecção de antineutrinos oferece um método revolucionário e não intrusivo para monitorar remotamente reatores nucleares, abrindo caminho para maior segurança global. Com potencial para complementar as salvaguardas existentes e fornecer informações em tempo real sobre as atividades dos reatores, esta tecnologia poderá tornar-se uma pedra angular de futuras iniciativas de segurança nuclear.
Ao refinar a tecnologia de detecção e melhorar a precisão da detecção, os cientistas esperam que este avanço conduza a aplicações práticas que protejam contra a proliferação nuclear, ao mesmo tempo que promovem maior transparência na gestão global. nuclear programas de energia.
“O detector é incapaz de atingir praticamente qualquer um dos reatores da frota do Reino Unido”, concluíram os pesquisadores. “No entanto, a análise mostra potencial quando outros designs de detectores são considerados. Ao aplicar esta técnica a um design de detector diferente, como JUNO ou Theia, o alcance poderia ser realizado em um prazo mais razoável. Isto poderia permitir que fosse uma ferramenta extra para a não proliferação, uma vez que fornece informações adicionais sobre as técnicas de análise existentes.”
“Em muitos aspectos, o que mais me surpreendeu é que isso não é realmente impossível”, acrescentou o Dr. Wilson.
Tim McMillan é um executivo aposentado da lei, repórter investigativo e cofundador do The Debrief. Sua escrita normalmente se concentra em defesa, segurança nacional, comunidade de inteligência e tópicos relacionados à psicologia. Você pode seguir Tim no Twitter: @LtTimMcMillan. Tim pode ser contatado por e-mail: tim@thedebrief.org ou através de e-mail criptografado: TenTimMcMillan@protonmail.com
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