反应堆中微子探测器技术在核安全领域应用前景综述

2023 年11 月，日本科学家发表论文称开发了一种基于反应堆中微子的算法，可远程估算美滨3 号轻水堆运行状态、燃料燃耗和燃料成分。中微子是一种基本粒子，于1956 年首次发现，其基本性质仍在探索中，相关实验研究至今仍是基础科学的重要前沿。核反应堆是中微子主要来源之一，探测反应堆中微子强度变化，可获取反应堆运行核心信息。

1 反应堆中微子探测器技术基础

反应堆中微子主要源自堆芯核反应，富中子核素经过β衰变，产生电子反中微子（称“反应堆中微子”）。一座热功率百万千瓦反应堆每秒钟可以产生约1020个中微子。

反应堆中微子数量与反应堆功率成正比，其信号能反映出裂变源性质。但中微子只参与弱相互作用，极难探测。反应堆中微子探测器利用中微子与质子发生的逆β 衰变反应探测反应堆中微子。距离一座热功率百万千瓦的反应堆10米远处的1千克探测器，1年约获得4000个计数。由此估算，日本神冈反应堆中微子实验1000吨探测器规模，对200千米距离处的航空母舰动力堆1 年可获得约10 个计数，与本底相当。而中微子的其他相互作用在反应堆中微子探测应用中尚未成熟。

表1 列出了全球部分代表性反应堆中微子实验，体现了当前反应堆中微子探测器技术方法类型。探测器主要使用富含质子的纯水或液体闪烁体等同时作为反应堆中微子反应的靶物质和探测介质。为提升探测灵敏度和减少宇宙射线干扰，探测器需要尽可能大质量和尽可能低本底，实验装置一般部署在地下。

2 基础科学研究引领探测器技术持续进步

自奥地利物理学家泡利1930 年提出中微子预言后，1956 年美国科学家通过反应堆中微子实验首次检测出中微子信号。此后，法国舒兹实验等通过改进反应堆中微子探测器技术，提升了探测效率和置信度。2002 年，日本神冈反应堆中微子实验将1000 吨探测器部署在地下等效水深2700 米处，与50 多座动力堆的加权平均距离是180 千米，首次观测到反应堆中微子振荡，有助于确定中微子是具有质量的粒子。

迄今为止，各国建造的反应堆中微子探测器都在吨到万吨量级，探测器在设计、理论模型和实验技术上不断进步，探测效率和置信度不断提高，推动科学前沿发展。近年来，一些反应堆中微子实验通过改进本底抑制、能谱解析等方法，实现中微子探测器小型化和近地表安置。

近年世界三大反应堆中微子实验为我国大亚湾中微子实验（2011—2020 年）、法国双舒兹实验（2011—2017 年）和韩国里诺实验（2011 年至今）。其中，我国大亚湾中微子实验通过使用多个全同探测器进行相对测量，消除探测器相关不确定性，实现中微子振荡混合角全球最精确测量，极大完善了中微子理论。我国江门中微子实验正在建设全球首个万吨级探测器，将解决中微子质量顺序等关键物理难题。

表1 全球具有代表性的反应堆中微子探测器系统

3 探测器技术实用化验证实验展现可行性

20 世纪80 年代开始，多国在测定了反应堆主要核素的特征中微子能谱后，进行了一些以增强核安全技术手段为目的的反应堆中微子实验。随着探测器技术成熟及对反应堆中微子研究的加深，美国能源部反应堆中微子探测器技术实用化研究小组2021 年发布报告，认为探测器技术已具有实用化潜力。

该技术通过测量反应堆中微子及其能谱，可获得有关反应堆是否运行、运行功率、燃料核素成分等相关信息，具有非侵入性、抗干扰、抗屏蔽和保密性强的优点，不会对被探测对象造成干扰或者其他中断，不暴露监测任务本身范围以外的敏感信息，不需要了解反应堆运行历史的详细数据。

美、法、加、日等国已陆续开展一些验证性实验。美国桑迪亚国家实验室和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室研发的640 千克小型中微子探测器桑格斯，2007 年证明通过测量中微子通量和能谱可监测反应堆运行状态；法国在距离奥西里斯研究堆7 米处部署800 千克中微子探测器，2016 年探测出堆芯内钚含量；美国钱德勒实验2020年通过使用80千克固体闪烁体，实现了小型化、可移动、地表探测器原型部署；加拿大萨德伯里+中微子观测国际合作组2023 年3 月首次使用纯水监测远达240 千米以外的反应堆运行状况；美英守望者实验正在建造千吨级探测器，目标是展示使用掺钆水切伦科夫探测器对25千米以外英国哈特尔普尔反应堆的监测能力；日本科学家2023 年11 月利用自研算法确认了可利用反应堆中微子能谱实时远程监测反应堆。

4 应用领域前景广泛但仍面临实践难题

在保障监督与核查领域，中微子探测器技术可广泛用于先进反应堆、核材料生产堆、乏燃料贮存与处置等设施的保障监督与核查。最具应用潜力的是开展非侵入性反应堆保障监督、新型反应堆非固体核燃料或频繁更换燃料场景保障监督、反应堆内易裂变材料存量监测和反应堆秘密生产核材料行为探知。

在核事故响应和处置领域，如福岛核事故中，一些关键区域的辐射水平过高导致探测仪表无法运作，极大妨碍了事故后制定应急响应对策和处置方案。对于堆芯熔化事故，中微子探测器原则上可以指示正在发生的裂变反应，确定堆芯组件与乏燃料状态，同时不会对事故源项产生干扰。

在反应堆仪表控制领域，中微子探测器可为部分动力堆严酷环境下的仪表提供交叉校正，如作为沸水堆的再校准参考。中微子探测器系统开发既可以独立于反应堆设计细节，也可以与反应堆系统设计集成节省更多成本。

当前反应堆中微子探测器技术实用化仍面临巨大挑战。反应堆中微子探测器技术是利用大量介质探测微小概率事件，该技术设施部署庞大，耗费时间长，造价高昂，同时仍需在提高能量分辨率、降低本底干扰和完善算法模型方面破解基础物理和实践限制。按照具体应用场景，探测器距离反应堆越远，信号越微弱，装置尺寸越大，造价越贵。距离反应堆约100米的探测器需达到1 至10 吨，尺度至少3 米，每吨造价100 万至200 万美元；距离100 千米需达到千吨以上。

5 小结

反应堆中微子探测器技术是通过收集和识别中微子信号，监测反应堆运行状况，包括反应堆功率和堆芯易裂变材料成分。由于中微子具有极少与其他粒子发生相互作用的特性，该技术可靠性和独立性强，具有非侵入性，但造价成本高、装置敏感、信号随探测距离衰减大。多国已开展1 吨到1000 吨探测器规模的示范验证实验，在探测反应堆运行或关闭状态、研制小型化装置、探测堆芯钚材料含量等方面形成初步经验。反应堆中微子探测器技术在核安全领域最具有前景的应用领域是先进反应堆保障监督和核条约核查；尚需进一步技术开发的应用领域是乏燃料监督和事故后响应；有潜在应用可能的是国际原子能机构现行保障监督、反应堆仪表控制和非合作性的反应堆监测。