2023 年11 月，日本科學家發(fā)表論文稱開發(fā)了一種基于反應堆中微子的算法，可遠程估算美濱3 號輕水堆運行狀態(tài)、燃料燃耗和燃料成分。中微子是一種基本粒子，于1956 年首次發(fā)現(xiàn)，其基本性質(zhì)仍在探索中，相關實驗研究至今仍是基礎科學的重要前沿。核反應堆是中微子主要來源之一，探測反應堆中微子強度變化，可獲取反應堆運行核心信息。

1 反應堆中微子探測器技術基礎

反應堆中微子主要源自堆芯核反應，富中子核素經(jīng)過β衰變，產(chǎn)生電子反中微子（稱“反應堆中微子”）。一座熱功率百萬千瓦反應堆每秒鐘可以產(chǎn)生約1020個中微子。

反應堆中微子數(shù)量與反應堆功率成正比，其信號能反映出裂變源性質(zhì)。但中微子只參與弱相互作用，極難探測。反應堆中微子探測器利用中微子與質(zhì)子發(fā)生的逆β 衰變反應探測反應堆中微子。距離一座熱功率百萬千瓦的反應堆10米遠處的1千克探測器，1年約獲得4000個計數(shù)。由此估算，日本神岡反應堆中微子實驗1000噸探測器規(guī)模，對200千米距離處的航空母艦動力堆1 年可獲得約10 個計數(shù)，與本底相當。而中微子的其他相互作用在反應堆中微子探測應用中尚未成熟。

表1 列出了全球部分代表性反應堆中微子實驗，體現(xiàn)了當前反應堆中微子探測器技術方法類型。探測器主要使用富含質(zhì)子的純水或液體閃爍體等同時作為反應堆中微子反應的靶物質(zhì)和探測介質(zhì)。為提升探測靈敏度和減少宇宙射線干擾，探測器需要盡可能大質(zhì)量和盡可能低本底，實驗裝置一般部署在地下。

2 基礎科學研究引領探測器技術持續(xù)進步

自奧地利物理學家泡利1930 年提出中微子預言后，1956 年美國科學家通過反應堆中微子實驗首次檢測出中微子信號。此后，法國舒茲實驗等通過改進反應堆中微子探測器技術，提升了探測效率和置信度。2002 年，日本神岡反應堆中微子實驗將1000 噸探測器部署在地下等效水深2700 米處，與50 多座動力堆的加權平均距離是180 千米，首次觀測到反應堆中微子振蕩，有助于確定中微子是具有質(zhì)量的粒子。

迄今為止，各國建造的反應堆中微子探測器都在噸到萬噸量級，探測器在設計、理論模型和實驗技術上不斷進步，探測效率和置信度不斷提高，推動科學前沿發(fā)展。近年來，一些反應堆中微子實驗通過改進本底抑制、能譜解析等方法，實現(xiàn)中微子探測器小型化和近地表安置。

近年世界三大反應堆中微子實驗為我國大亞灣中微子實驗（2011—2020 年）、法國雙舒茲實驗（2011—2017 年）和韓國里諾實驗（2011 年至今）。其中，我國大亞灣中微子實驗通過使用多個全同探測器進行相對測量，消除探測器相關不確定性，實現(xiàn)中微子振蕩混合角全球最精確測量，極大完善了中微子理論。我國江門中微子實驗正在建設全球首個萬噸級探測器，將解決中微子質(zhì)量順序等關鍵物理難題。

表1 全球具有代表性的反應堆中微子探測器系統(tǒng)

3 探測器技術實用化驗證實驗展現(xiàn)可行性

20 世紀80 年代開始，多國在測定了反應堆主要核素的特征中微子能譜后，進行了一些以增強核安全技術手段為目的的反應堆中微子實驗。隨著探測器技術成熟及對反應堆中微子研究的加深，美國能源部反應堆中微子探測器技術實用化研究小組2021 年發(fā)布報告，認為探測器技術已具有實用化潛力。

該技術通過測量反應堆中微子及其能譜，可獲得有關反應堆是否運行、運行功率、燃料核素成分等相關信息，具有非侵入性、抗干擾、抗屏蔽和保密性強的優(yōu)點，不會對被探測對象造成干擾或者其他中斷，不暴露監(jiān)測任務本身范圍以外的敏感信息，不需要了解反應堆運行歷史的詳細數(shù)據(jù)。

美、法、加、日等國已陸續(xù)開展一些驗證性實驗。美國桑迪亞國家實驗室和勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室研發(fā)的640 千克小型中微子探測器桑格斯，2007 年證明通過測量中微子通量和能譜可監(jiān)測反應堆運行狀態(tài)；法國在距離奧西里斯研究堆7 米處部署800 千克中微子探測器，2016 年探測出堆芯內(nèi)钚含量；美國錢德勒實驗2020年通過使用80千克固體閃爍體，實現(xiàn)了小型化、可移動、地表探測器原型部署；加拿大薩德伯里+中微子觀測國際合作組2023 年3 月首次使用純水監(jiān)測遠達240 千米以外的反應堆運行狀況；美英守望者實驗正在建造千噸級探測器，目標是展示使用摻釓水切倫科夫探測器對25千米以外英國哈特爾普爾反應堆的監(jiān)測能力；日本科學家2023 年11 月利用自研算法確認了可利用反應堆中微子能譜實時遠程監(jiān)測反應堆。

4 應用領域前景廣泛但仍面臨實踐難題

在保障監(jiān)督與核查領域，中微子探測器技術可廣泛用于先進反應堆、核材料生產(chǎn)堆、乏燃料貯存與處置等設施的保障監(jiān)督與核查。最具應用潛力的是開展非侵入性反應堆保障監(jiān)督、新型反應堆非固體核燃料或頻繁更換燃料場景保障監(jiān)督、反應堆內(nèi)易裂變材料存量監(jiān)測和反應堆秘密生產(chǎn)核材料行為探知。

在核事故響應和處置領域，如福島核事故中，一些關鍵區(qū)域的輻射水平過高導致探測儀表無法運作，極大妨礙了事故后制定應急響應對策和處置方案。對于堆芯熔化事故，中微子探測器原則上可以指示正在發(fā)生的裂變反應，確定堆芯組件與乏燃料狀態(tài)，同時不會對事故源項產(chǎn)生干擾。

在反應堆儀表控制領域，中微子探測器可為部分動力堆嚴酷環(huán)境下的儀表提供交叉校正，如作為沸水堆的再校準參考。中微子探測器系統(tǒng)開發(fā)既可以獨立于反應堆設計細節(jié)，也可以與反應堆系統(tǒng)設計集成節(jié)省更多成本。

當前反應堆中微子探測器技術實用化仍面臨巨大挑戰(zhàn)。反應堆中微子探測器技術是利用大量介質(zhì)探測微小概率事件，該技術設施部署龐大，耗費時間長，造價高昂，同時仍需在提高能量分辨率、降低本底干擾和完善算法模型方面破解基礎物理和實踐限制。按照具體應用場景，探測器距離反應堆越遠，信號越微弱，裝置尺寸越大，造價越貴。距離反應堆約100米的探測器需達到1 至10 噸，尺度至少3 米，每噸造價100 萬至200 萬美元；距離100 千米需達到千噸以上。

5 小結(jié)

反應堆中微子探測器技術是通過收集和識別中微子信號，監(jiān)測反應堆運行狀況，包括反應堆功率和堆芯易裂變材料成分。由于中微子具有極少與其他粒子發(fā)生相互作用的特性，該技術可靠性和獨立性強，具有非侵入性，但造價成本高、裝置敏感、信號隨探測距離衰減大。多國已開展1 噸到1000 噸探測器規(guī)模的示范驗證實驗，在探測反應堆運行或關閉狀態(tài)、研制小型化裝置、探測堆芯钚材料含量等方面形成初步經(jīng)驗。反應堆中微子探測器技術在核安全領域最具有前景的應用領域是先進反應堆保障監(jiān)督和核條約核查；尚需進一步技術開發(fā)的應用領域是乏燃料監(jiān)督和事故后響應；有潛在應用可能的是國際原子能機構(gòu)現(xiàn)行保障監(jiān)督、反應堆儀表控制和非合作性的反應堆監(jiān)測。