Ieder land mag energie uit kernreacties winnen, maar slechts vijf mogen kernwapens bezitten. Het non-proliferatieverdrag in een notendop. De IAEA, het atoomgenootschap van de VN, controleert de hele splijtstofketen van ertswinning, zuivering, gebruik in een kerncentrale en verwerking van uitgeputte brandstofstaven. Zo probeert het genootschap te voorkomen dat uranium of plutonium in verkeerde handen valt. Menselijke controleurs die bijhouden hoeveel splijtstof een reactor in- en uitgaat kosten miljoenen, maar hoe kun je anders achterhalen wat er in de reactor gebeurt?

Amerikaanse onderzoekers aan de nationale laboratoria Sandia en Lawrence Livermore denken de controles deels te kunnen automatiseren. Bowden, Bernstein en hun collega’s kijken naar de antineutrino’s van kernreacties. Kernreacties waarbij protonen in neutronen of andersom veranderen produceren altijd een antineutrino als afvalproduct. De SONGS1-detector die de Amerikanen ontwikkelden kan in een loos hoekje van het reactorgebouw staan en maand na maand bijhouden of er stiekem kernbrandstof verdwijnt. Dat is meteen zichtbaar als een plotselinge dip in de stroom antineutrino’s.

Straling als gammastraling (lichtdeeltjes van hoge energie), bètastraling (elektronen) of alfastraling (heliumkernen) kun je met de juiste afscherming tegenhouden. Neutrino’s reizen juist bijna ongehinderd door barrières heen. Natuurkundigen hebben berekend dat een loden plaat van een lichtjaar dik maar de helft van de neutrino’s uit de zon zou tegenhouden. SONGS1, zelf maar een kubieke meter groot en nog geen ton zwaar, vangt dan ook maar een fractie van de neutrino’s uit een kernreactor, maar is wél gevoelig voor relatieve veranderingen in de neutrinostroom.

‘Er komen per seconde zo’n 10²¹ antineutrino’s vrij in een kernreactor’, leggen Bowden en zijn team uit: ‘die hoeven we niet allemaal te vangen om een meting aan de reactor te doen. Als we maar zeker weten dat we altijd hetzelfde percentage van de uitgestraalde deeltjes zien, kunnen we meten of de absolute hoeveelheid in de loop der tijd verandert. Dat kan bijvoorbeeld als er uranium via kernreacties in plutonium veranderd. Zo zien we hoe ver de brandstofstaven zijn opgebrand’.

Spookdeeltjes

Een massa van niks, geen lading, nauwelijks geïnteresseerd in andere deeltjes: neutrino’s zijn saai. Ze ontstaan bij kernreacties zoals in de zon of in een kerncentrale en schieten ongehinderd door muren, mensen en de complete aarde heen. Neutrino’s en hun antideeltjes werden in 1930 verzonnen door Wolfgang Pauli om te verklaren waarom er energie verdwijnt bij sommige kernreacties.

Een deeltje dat niet te meten was klinkt als een stoplap in de theorie, maar in 1956 wisten vijf natuurkundigen de glibberige neutrino’s toch met een experiment te meten. Een van de vijf, Frederick Reines, kreeg in 1995 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor de meting. Sindsdien hebben gigantische detectors als de Japanse SuperKamiokande en het Canadese SNO-experiment aangetoond dat er drie soorten neutrino’s zijn, één voor elke familie van elementaire deeltjes. Gigantische watertanks dienen als trefplaat in zo’n detector: ook al is de kans op de botsing van een neutrino en een atoom klein, met voldoende atomen, een sterke bron als de fusiereactor van de zon en voldoende tijd is toch een klein signaal te meten.

Bij kernfusie in het hart van de zon, maar ook bij radioactief verval zoals in een kernreactor komen hordes (anti)-neutrino’s vrij. Wie er daar een paar van kan vangen, kijkt dwars door tussenliggende materie heen. Een prachtig instrument voor fundamenteel onderzoek, maar ook voor wetenschappers die een kernreactor willen controleren.

Medewerking

Bowden’s team geeft eerlijk toe dat hun instrument alleen geschikt is als de eigenaar van een reactor meewerkt. Het apparaat staat moederziel alleen in het reactorgebouw; kwaadwillenden kunnen er dus ongestoord mee rommelen. ‘Het is een instrument dat bestaande controles aanvult, niet vervangt’, waarschuwen de wetenschappers in hun rapport. Toch denken ze dat ruim 200 installaties in meer dan 30 landen, die nu al IAEA-inspecties toelaten, SONGS1 kunnen gebruiken.