Je leest:

Spookdeeltjes verraden splijtstof

Spookdeeltjes verraden splijtstof

Auteur: | 19 december 2006

Nachtmerrie-scenario: gestolen brandstofstaven uit een kernreactor worden gebruikt in een terroristische aanslag. Om dat te voorkomen houdt het internationale atoomagentschap IAEA nauwkeurig bij of er geen materiaal ‘zoekraakt’, maar dat kost tijd, mankracht en dus geld. De Amerikaanse natuurkundigen Nathaniel Bowden en Adam Bernstein ontwikkelden een apparaat dat door muren heen bijhoudt of er splijtstof uit een reactor verdwijnt.

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?

In het hart van een kerncentrale zitten radioactieve brandstofstaven. De populairste splijtstof is uranium, een zware, instabiele atoomsoort. Na verloop van tijd valt een uraniumatoom spontaan uit elkaar in lichtere atomen. Daarnaast zendt het ook neutronen uit, kerndeeltjes die andere uraniumkernen kunnen ‘aansteken’ en de kettingreactie in stand houden, maar ook antineutrino’s, allesdoordringende deeltjes die met bijna de lichtsnelheid wegracen, dwars door de reactormantel heen. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

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.

De SONGS1-detector. Ook al staat die tien meter onder de grond, de gevoelige apparatuur wordt nog steeds gestoord door kosmische straling – snelle deeltjes die vanuit het heelal op aarde inslaan. De buitenlaag is ontworpen om die deeltjes op te pikken en uit de antineutrino-telling te filteren. De binnenkant van SONGS1 is gevuld met waterstofrijke olie. Antineutrino’s uit de kernreactor hebben een piepkleine kans om met een waterstofkern – een proton – te reageren. Het positieve proton verandert in een ongeladen neutron dat door de kracht van de inslag wegschiet. Omdat elektrische ladingen altijd behouden blijft komt er ook een positron vrij, het antideeltje (even zwaar, tegenovergestelde lading) van het elektron. SONGS1 meet wanneer er een neutron én een positron tegelijkertijd ontstaan en weet dan dat er een antineutrino werd ingevangen.

‘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.

De SuperKamiokande-detector in Japan, met rechts in het gele opblaasbootje een stel technici. Het bassin in deze oude zoutmijn werd gevuld met gezuiverd water en bedekt met lichtgevoelige sensoren. Botst er een neutrino uit de zon op een waterstofkern in het water, dan komt daar een lichtflitsje bij vrij. Omdat de detector zo ver onder de grond ligt, is de kans vrijwel nihil dat een ander deeltje in het bassin weet te komen. bron: SuperKamiokande. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

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.

Meer over neutrino’s

Meer over kernenergie

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 19 december 2006

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.