Лазейка для плутония. Ученые нашли способ превратить мирный термоядерный реактор в оружейный завод
Термоядерные электростанции обычно описывают как более чистую и безопасную замену классическим атомным реакторам. Но новая работа показывает неприятную деталь: будущие установки синтеза при намеренном вмешательстве могут помочь получать материал, связанный с ядерным оружием. Исследователи предлагают следить за возможными злоупотреблениями по антинейтрино, почти неуловимым частицам, которые рождаются в ядерных реакциях и проходят сквозь стены, защиту и оборудование.
Вопрос становится важнее по мере того, как государства и компании вкладывают миллиарды долларов в коммерческий термоядерный синтез. Авторы работы отмечают, что термоядерные энергетические системы в принципе могут использоваться для получения значительных объемов делящегося материала. Поэтому правила контроля лучше продумать до появления промышленных станций, а не после массового запуска реакторов.
Главный риск связан не с нормальной работой термоядерного реактора, а с преднамеренным размещением урана-238 рядом с зоной реакции. В большинстве разрабатываемых проектов энергия рождается при слиянии дейтерия и трития, двух форм водорода. При слиянии ядер выделяется много энергии и быстрые нейтроны. Если рядом окажется уран-238, часть нейтронов может поглотиться ураном, после чего цепочка ядерных превращений приведет к образованию плутония-239. Плутоний-239 относится к материалам, пригодным для создания ядерного оружия.
Авторы подчеркивают, что термоядерные реакторы не превращаются в тайные оружейные заводы сами по себе. Для получения плутония потребуются осознанные действия и специальная схема. Но регуляторам нужны способы быстро замечать подобные попытки, пока технология еще не стала массовой.
Для контроля ученые предлагают использовать антинейтрино. Триллионы подобных частиц каждую секунду проходят через тело человека и почти никогда не взаимодействуют с веществом. Заблокировать антинейтрино стенами или защитными экранами практически невозможно, поэтому частицы могут служить независимым сигналом о процессах внутри реактора.
Если в термоядерной установке начнется производство плутония, связанные с этим ядерные реакции создадут характерный поток антинейтрино. Детектор можно разместить вне реакторного оборудования, рядом с объектом или на площадке станции. Такой контроль не требует вскрывать оборудование, останавливать реактор или вмешиваться в работу установки.
Исследователи проверили идею с помощью компьютерного моделирования. Модель сравнила ожидаемый сигнал от реакций с образованием плутония с фоновыми источниками шума, включая обычную работу реактора и частицы из космоса. Расчеты показали, что разницу можно измерить. Даже сравнительно компактный детектор способен выявить производство нескольких килограммов плутония примерно за 30 дней.
В одном из проверенных сценариев получение 8 килограммов плутония за месяц создавало сильный и легко различимый антинейтринный сигнал. Для инспекторов такой уровень чувствительности важен как раннее предупреждение: система сможет заметить опасную активность до накопления больших объемов материала.
Пока у метода есть ограничение. Коммерческих дейтерий-тритиевых термоядерных электростанций еще нет, поэтому проверить подход на полноценной работающей станции невозможно. Авторы опирались на расчеты, а не на реальные измерения на промышленном объекте. Но отсутствие действующих станций делает работу своевременной: правила безопасности проще встроить до запуска новой энергетической отрасли, чем переделывать систему контроля после появления сотен реакторов.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Applied.