Bij de kernsplijting die plaatsvindt in kernreactoren komen antimateriedeeltjes vrij. Door die te detecteren, zou je op honderden kilometers afstand kunnen zien of de reactor stiekem gebruikt wordt voor de productie van kernwapens.
In landen zoals de Verenigde Staten, Frankrijk en India staan tientallen kerncentrales. De centrales spelen een belangrijke rol in de elektriciteitsvoorziening van deze landen: ze wekken energie op door zware atoomkernen te splijten in lichtere.
Maar de kernreactoren van deze centrales kunnen niet alleen gebruikt worden voor energieopwekking. In dezelfde apparaten kan ook materiaal gemaakt worden voor de bouw van kernwapens. En aan de buitenkant is niet te zien wat er binnenin gebeurt.
‘Het ITER-uitstel is minder dramatisch dan het lijkt’
‘ITER tien jaar vertraagd’, kopten de media. Maar de momenten waar het bij deze kernfusiereactor écht om gaat worden veel minder uitgesteld.
Een internationale onderzoeksgroep heeft nu aangetoond dat je door het detecteren van antimateriedeeltjes, zogeheten antineutrino’s, kunt achterhalen of een reactor elektriciteit of onderdelen van kernwapens produceert. Ook is het mogelijk om met deze methode te controleren of de splijtingsreacties nog veilig verlopen. Hun resultaten verschenen in het wetenschappelijk vakblad AIP Advances.
Kernreactoren controleren
‘Momenteel worden reactoren gecontroleerd op veiligheid en misbruik door de Internationale Organisatie voor Atoomenergie, de IAEA’, zegt natuurkundige Steve Wilson van de Universiteit van Sheffield, die betrokken was bij het onderzoek. De IAEA controleert de veiligheid van reactoren en kijkt of de gebruikers zich houden aan de verdragen over kernwapens. Dat doen ze nu onder meer door te kijken naar de brandstof die voor de reactor wordt gebruikt, met behulp van videobewaking en met willekeurige inspecties.
Voor al deze controles heb je toegang nodig tot de reactorcomplexen. Met antineutrino-monitoring zou dat niet nodig zijn. ‘Antineutrino’s kunnen oneindig ver reizen en je kunt ze niet tegenhouden’, zegt Wilson. Dat bekent dat je de reactoren continu en op afstand in de gaten kunt houden. Bovendien vertellen de antineutrino’s je wat er binnenin de reactor gebeurt.
Antineutrino’s
Bij de meeste reacties in een kernreactor splijten uraniumkernen in twee lichtere atoomkernen, die op hun beurt weer vervallen tot nog lichtere atoomkernen. Bij dat verval ontstaan er bij een gemiddelde kernreactor ook triljoenen antineutrino’s per seconde.
Antineutrino’s zijn de antimateriële tegenhangers van neutrino’s. Dat zijn ladingloze, spookachtige subatomaire deeltjes die vrijwel overal ongehinderd doorheen vliegen. Omdat de antineutrino’s een bijproduct zijn van de kernreacties, kunnen ze je precies vertellen welke en hoeveel kernreacties er plaatsvinden in de reactor.
Bij de meeste kernreactoren wordt een deel van de brandstof uranium-235 omgezet in plutonium-239, dat veel gebruikt wordt in kernwapens. Bij kerncentrales die elektriciteit produceren wordt dat plutonium ook gesplitst, waarbij extra energie en antineutrino’s ontstaan. Maar als je kernwapens wilt maken, dan stop je de splijtingsreactie eerder, zodat er zo veel mogelijk plutonium ontstaat, zonder dat het opbrandt. De productie van plutonium en het vroegtijdig stoppen van de kernreactiecyclus kun je afleiden uit de hoeveelheid neutrino’s die je waarneemt, zegt Wilson.
Smaken
Ook kunnen antineutrino’s ons vertellen hoe ver weg ze zijn ontstaan, en dus uit welke kernreactor ze komen. Dat is te danken aan een proces dat neutrino-oscillatie heet, zegt Wilson. Neutrino’s komen voor in drie verschillende ‘smaken’: elektron, muon en tau. Tijdens hun reis van de reactor naar de detector kunnen antineutrino’s van smaak veranderen. De elektron-antineutrino’s die bij kernreacties ontstaan, veranderen onderweg in muon-antineutrino’s of tau-antineutrino’s.
Hoeveel neutrino’s er van smaak veranderen, hangt af van hun energie én de afstand die ze af hebben gelegd. Door te kijken hoeveel elektron-neutrino’s er arriveren en hun energie te meten, kun je dus de afstand tot de reactor bepalen.
Ondergrondse watertank
De onderzoekers hebben met een computersimulatie getest of ze antineutrino’s van kernreactoren in het Verenigd Koninkrijk kunnen detecteren. Daarvoor gebruikten ze een detectorontwerp dat bestaat uit een cilindervormige tank van 22 meter hoog en 22 meter in doorsnee. Deze tank is gevuld met water en de wanden zijn bedekt met lichtdetectors. Als een antineutrino op een atoomkern in het water botst dan ontstaat er een lichtflitsje dat de lichtdetectors kunnen waarnemen. Om achtergrondruis te voorkomen, moet deze detector op ongeveer een kilometer diepte onder de grond geplaatst worden.
Uit de simulaties bleek dat deze detector de activiteit van kernreactoren op 150 kilometer afstand kan waarnemen. ‘Maar hij bleek niet gevoelig genoeg voor om de precieze afstand te bepalen’, zegt Wilson.
Met nog grotere, of complexere, detectoren lijkt dat wel mogelijk. Die zouden zelfs iets kunnen zeggen over kernreactoren op 400 kilometer afstand.
Duur grapje
Kernreactoren monitoren met antineutrino’s is dus niet mogelijk met een klein apparaatje waarmee je langs een kernreactor kunt lopen, of waarmee je over een verdacht gebied kunt vliegen. Bovendien zijn dergelijke detectoren niet goedkoop. De bouw zal meer dan honderd miljoen euro kosten.
Ondanks deze nadelen, denkt Wilson dat de antineutrinodetectoren in de toekomst een bijdrage kunnen leveren aan het monitoren van kernreactoren. ‘We zouden zeer grote en gevoelige detectoren kunnen bouwen in landen die grenzen aan vijandige staten – zoals Zuid-Korea en Noord-Korea – om zo de activiteit van reactoren in de vijandige staat te monitoren. Een andere optie is om veel kleinere detectoren te gaan ontwerpen die in een voertuig passen en die tot vlakbij reactorcomplexen kunnen worden gebracht.’
