Kernreactoren leveren betrouwbare energie zonder fossiele brandstoffen en bijbehorende CO2-uitstoot. Maar ze kunnen ook plutonium produceren; een van de grondstoffen voor een kernwapen. Inspecties van de VN-atoomwaakhond IAEA moeten zorgen dat er geen splijtstoffen ‘verdwijnen’ en in wapenprogramma’s terecht komen. Maar door tegenwerking, of door tussen inspecties in een plutonium-kweekprogramma te draaien, kan het lang duren voor gemeen spel aan het licht komt. Dat zet het non-proliferatieverdrag onder druk, een internationale overeenkomst die de verspreiding van kernwapentechnologie aan banden legt. Een nieuw type detector kan uitkomst brengen.
Inspecteurs van het internationale atoomagentschap IAEA bekijken een ‘mandje’ verse splijtstaven in een Slowaakse kernreactor. bron: IAEA / Dean Calma.
Veldwerk
Adam Bernstein werkt bij het Lawrence Livermore National Laboratory aan een instrument dat een deel van de controles automatisch uit kan voeren. Zijn SONGS1-detector ziet anti-neutrino’s, deeltjes die alleen vrijkomen bij kernreacties. Na een jaar testen in een Californische kerncentrale maakte Bernstein bekend dat de detector de activiteit in een reactor en de verhouding van verschillende splijtstoffen van uur tot uur kan volgen.
De tests in het San Onofre Nuclear Generating Station laten volgens Bernstein zien hoe nauwkeurig de detector werkt. Die blijft correcte meetwaarden uitspugen, ook zonder regelmatig onderhoud. ‘Dat is een goed teken’, aldus Bernstein: ‘onderzoekers dachten altijd dat dit soort detectoren delicate apparaatjes waren, maar je kunt ze dus prima in het veld inzetten.’
Het onderzoeksteam van natuurkundige Adam Bernstein installeert een waterschild rond hun SONGS1-detector. Het water moet radioactieve straling uit de omgeving wegvangen die niet uit de kernreactor zelf afkomstig is. In het hart van de detector kan door het schild alleen de anti-neutrinostraling uit de reactor doordringen. SONGS1 staat in een onderhoudsgang op 25 meter van de reactorkern, die een vermogen van 2500 MW heeft. Per seconde vliegen 1017, honderd miljoen miljard, anti-neutrino’s dwars door de reactor. Een fractie botst met de vloeistof in de detector en wordt zo gemeten. bron: LNLL. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.
Anti-spook
De Amerikaanse detector maakt gebruik van de bijna ongrijpbare neutrino-deeltjes. Die ontstaan alleen bij kernprocessen, zoals kernsplitsing in een kernreactor, in het hart van de zon of bij de enorme supernova-explosie van een zware ster. De deeltjes wegen bijna niets en reageren ook nauwelijks op andere materie; ze flitsen als ontastbare spoken in een seconde door de zon heen. Door de kleine botsingskans zijn enorme detectoren en enorme aantallen neutrino’s nodig voor een apparaat er ook maar een paar kan opsporen. Gelukkig spuugt een kernreactor ladingen neutrino’s uit. Of eigenlijk anti-neutrino’s, de even lichte ‘spiegelbeeld-deeltjes’ van normale neutrino’s. Ze gedragen zich even ongrijpbaar en vliegen dwars door de wand van het reactorvat en de betonnen muren van het reactorgebouw.
Heel zelden botst een anti-neutrino op een ander deeltje. In de SONGS1-detector zit een scintillatievloeistof die kleine lichtflitsjes geeft na zo’n inslag. Hoewel het om een piepkleine en niet precies bekende fractie van het totale aantal spookdeeltjes gaat, is die fractie volgens Bernstein’s onderzoek wel constant. Een vergelijking met de geproduceerde energie van de reactor in San Onofre leverde een vertaalsleutel op waarmee metingen en reactoractiviteit in elkaar zijn om te rekenen. Dat de detector maar zo weinig deeltjes ziet is meteen een voordeel; daardoor is het ondoenlijk een kunstbron van anti-neutrino’s te gebruiken om reactoractiviteit te simuleren – zo’n kunstbron zou evenveel anti-neutrino’s moeten produceren als een kleine kernreactor, en dat kan alleen door ook daadwerkelijk zo’n kernreactor neer te zetten. Zwakkere bronnen worden simpelweg over het hoofd gezien.
Schematische doorsnede van SONGS1. bron: LNLL.
Kweek
Bernstein’s team – en praktijkgebruikers als de IAEA – zijn vooral geïnteresseerd in de inhoud van een kernreactor. Wordt die gebruikt om energie te onttrekken uit verval van uraniumkernen, of wordt er plutonium ‘gekweekt’ uit de vervalsproducten van de uraniumsplijting? De splijting van een uraniumkern en van een plutoniumkern geven elk een verschillende energie aan hun anti-neutrino’s mee. In de loop der tijd verandert de verhouding uranium-plutonium in de reactor en dat is via de veranderende hoeveelheden anti-neutrino’s van elk type terug te zien met Bernstein’s detector.
Hart van de SONGS1-detector. Deze metalen bakken bevatten bijna een ton scintillatievloeistof, die een klein lichtflitsje produceert als een van de honderd miljoen miljard anti-neutrino’s uit de San Onofre-kernreactor wordt gevangen. Uit de hoeveelheid en soort lichtflitsen kunnen de ontwerpers de activiteit van de reactor aflezen. bron: LNLL. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.
Inspecties
Het grote voordeel van Bernstein’s apparaat is meteen de zwakke plek: zijn apparaat kan zonder supervisie een reactor in de gaten houden. Dat de beheerder van een kernreactor in bijvoorbeeld Frankrijk niet gaat sjoemelen met het apparaat is een veilige gok, maar zijn andere landen even betrouwbaar? Er zijn technische oplossingen te verzinnen waardoor de detectorsignalen niet zomaar zijn na te bootsen. Maar om elke beveiligingsmethode is heen te werken. Inspecteren van kernreactoren zal mensenwerk blijven, al kan de anti-neutrinokijker de inspecteurs wel helpen een oogje in het zeil te houden als ze niet zelf in een land aanwezig zijn.