М.Д. Скорохватов РНЦ «Курчатовский институт» -Исследование механизмов генерации энергии Солнца -Изучение гео-нейтрино -Внедрение технологий детектирования. - презентация

1 М.Д. Скорохватов РНЦ «Курчатовский институт» -Исследование механизмов генерации энергии Солнца -Изучение гео-нейтрино -Внедрение технологий детектирования анти-нейтрино для задач нераспространения. Проблемно ориентированные исследования в области нейтринной физики. Предварительные замечания: -О чем доклад -Свойства нейтрино и проблемы смежных областей физики -Современные практические задачи: НИИЯФ МГУ

2 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. Предварительные замечания :

3 Свойства нейтрино 1.Частица со спином ½, участвует только в слабых взаимодействиях e-e- e W¯W¯ e e Z0Z0 Рождение и поглощениеРассеяние 2. Смешивания нейтрино и смешивание i =U i1 1 +U i2 2 +U i3 3 i = e,, e,, 1, 2, 3 состояния с массами М 1, М 2, М 3 m 2.2 eVm 170 keVm 18.2 MeV 3. Эффективные массы нейтрино Атмосферные и ускорительные нейтрино M 2 ~ 2 3×10 -3 eV 2 (M 3 2 -M 2 2 ) Солнечные и реакторные нейтрино M 2 ~ 8×10 -5 eV 2 (M 2 2 -M 1 2 )

4 Свойства нейтрино 4. Распространение нейтрино Осцилляции состояний Электронные нейтрино: E= 1 MeV ~15.6 km L(km) P(L)

5 (E~ MeV) ~ 10 – ­ 44 cm 2 e-e- e e-e- Взаимодействия нейтрино e e-e- e e-e- e Заряженные токи Нейтральные токи e+e+ e p n Заряженные токи # Высокая проникающая способность # Трудности регистрации: большие мишени, фоновая радиоактивность

6 Что известно: M = г R = м L = эрг/с Содержание элементов на поверхности: водород 73.4% гелий 24.8% 4p 4 He 2e 2 e E = эрг для поддержания светимости N = L/ E = c -1 т.е. сгорает водорода 4m p N = т/с Скорость генерации нейтрино N=2 L/ E = с -1 Поток нейтрино Ф=N/4 A 2 = см -2 с -1 А= см

7 12 С + p 13 N + 13 N 13 C + e + +

8

9 Low Energy Solar Neutrinos

10 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.

11 Homestake e + 37 Cl 37 Ar + e MeV 600t C 2 Cl 4 SAGE e + 71 Ga 71 Ge + e MeV 57t Ga GNO e + 71 Ga 71 Ge + e MeV 30t Ga 8B Solar Neutrino Results S.-Kamiokande + e - + e MeV 22.5kt H 2 O SNO e + d p + p + e MeV 1kt D 2 0 SNO e + d n + p + e 2.2 MeV 1kt D

12

13

14 измерение потока солнечных нейтрино в реальном времени Мишень - ЖС ( 300 т.) Фоновые процессы : - мюоны и их взаимодействия - U, Th, K в стенах и ФЭУ - U, Th, K в ЖС - Rn, Kr, Ar в воздухе 0.5 соб/т день 10 5 соб/c 1г U при г-U/г счет 10 7 соб/т день BOREXINO

15 Borexino is located under the Gran sasso mountain which provides a shield against cosmic rays (residual flux = 1 /m 2 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); 1 st shield: 1000 tons of ultra-pure buffer liquid (pure PC) contained in a stainless steel sphere of 7 m radius; 2 nd shield: 2400 tons of ultra-pure water contained in a cylindrical dome; 2214 photomultiplier tubes pointing towards the center to view the light emitted by the scintillator; 200 PMTs mounted on the SSS pointing outwards to detect light emitted in the water by muons

16 Лаборатория Гран Сассо 3500 mwe =1.1 m -2 h -2

17 Монтаж ФЭУ детектора Борексино

18

19

20

21 e 115 In 115 Sn* e Sn* 115 Sn (116keV) 497keV) # жидкий сцинтиллятор (10% In) > 5000 ph/MeV # кристаллические сцинтилляционные материалы Спектроскопия нейтрино низких энергий

22 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

23 Дополнительные сведения даёт исследование теплового потока из земных недр mW/m 2 ~40 TW (~ АЭС) Данные скважин, более чем в 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. Изучение теплового потока

24 Спектры антинейтрино Оценки: U в коре ( )×10 17 кг (отличается в океан. и матер. коре) в мантии маленькая концентрация, но всего ( )×10 17 кг в ядре – пренебрежимо мало Th/U ~ 4, K/U ~ Геонейтрино дают прямое и глобальное измерение содержания урана, тория и калия. Отбор моделей генерации тепла, формирования и эволюции Земли.

25

26 Результаты первых измерений KamLAND соб. ~6.4×10 6 1/см 2 с Q~23-33 TW

27 The number expected events in Borexino are: The background will be: Calculated anti-ν e flux at the Gran Sasso Laboratory (10 6 cm -2 s -1 ) UThTotal (U+Th) Reactor BKG CrustMantleCrustMantle BOREXINO

28 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

29 Как образуются в реакторе ? ~6 антинейтрино на акт деления

30 спектр анти-нейтрино 235 U + n A1(Z1,N1) + A2 (Z2,N2) + 2n A1(Z1,N1) A1(Z1+1,N1-1) + e - + e A2(Z2,N2) A2(Z2+1,N2-1) + e - + e A1(Z1+2,N1-2) + e - + e A2(Z2+2,N2-2) + e - + e

31 Основная трудность – фон от ядерных реакторов

32 Нераспространение ядерных материалов Внедрение технологий детектирования анти- нейтрино

33 В чем состоит цель работ ? дистанционный on-line контроль и диагностика внутриреакторных процессов, измерение энерговыработки и выгорания - Ранний этап – контроль технического состояния реактора Первые идеи в Курчатовском институте – конец 70-х Обоснование – эксперименты Курчатовского института на РАЭС 80-х, 90-х разработка и внедрение дополнительных средств контроля для технического оснащения атомной отрасли

34 Проблема производства оружейного плутония n U 239 U 238 Np 239 Pu (T 1/2 = 24.1 лет), n Pu 240 Pu + n 241 Pu (T 1/2 = 14.4 лет). Начальный состав 238 U + 3-5% 235 U

35 - 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 состоит цель работ ?

36 В чем уникальность метода ? - Высокая проникающая способность (!) - Регистрация, не поддающаяся имитации т.е. фальсификации (!) n p

37 Как устроен детектор ? ВВЭР-440, Ровенская АЭС ~ 1 т водородосодержащего ЖС 2м×2м×2м

38 Где устанавливается детектор ? Регистрация ~200 тыс. антинейтрино соответствует выгоранию ~400 кг 235 U и накоплению ~150 кг 239 Pu

39 Детектор РОНСДетектор ВИНД Есть ли пример мониторирования ? Цель - контроль отклонений от плановых режимов работы реактора: - определение суточной энерговыработки с точностью 2-3% - выявление остановок 2-3 часа (95% CL)

40 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 Ближайшие задачи