Нейтринные эксперименты по обратному бета-распаду на реакторе АЭС тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Глава I. ВВЕДЕНИЕ: ЗАДАЧИ НЕЙТРИННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА

ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРАХ.

1.1. Введение.

1.2. , Изучение процессов, индуцируемых реакторными антинейтрино

1.3. Нейтринные осцилляции (Осцилляции Понтекорво). . , II

1.4. Нейтринная диагностика внутриреакторных процессов.

1.5. Особенности постановки нейтринных экспериментов на ядерных реакторах.

1.6. Содержание работы и ее новизна.

1.7. Основные положения, выносящиеся на защиту.

Глава 2. АНТИНЕЙТРИННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

2.1. Способы определения спектра

2.2. Расчет спектра антинейтрино.

2.3. Работа БДОС

2.4. О расчетных работах 1978 - 82 гг.

2.5. Основные результаты расчетных работ.

2.6. Точность относительных результатов. Связь между спектрами антинейтрино и электронов.

2.7. Спектр антинейтрино от реактора АЭС.

2.8. Некоторые выводы.

2.9. Измерение спектров ß -частиц на установке

Диск".

2.10. Обсуждение результатов эксперимента.

2.11. Время установления стационарного спектра.

2.12. Поиски жесткого jß -излучения осколков деления.

2.13. Излучают ли осколки деления нейтрино?.

В настоящее время нейтрино служит как объектом, так и своеобразным инструментом исследования в физике атомного ядра, элементарных частиц, астрофизике. Для экспериментов используют (и предполагают использовать) самые разные источники этих частиц:

- искусственные: ядерные реакторы, ускорители высоких энергий, мезонные фабрики и т.п. ;

- естественные: потоки нейтрино от Солнца, космических объектов и т.п.

Наиболее "традиционная" область нейтринной физики - эксперименты на ядерных реакторах. В таких экспериментах около тридцати лет назад Ф. Рейнесу, К. Коуэну и их сотрудникам удалось впервые наблюдать взаимодействие нейтрино с веществом [I] . После этого гипотетическая частица В. Паули обрела все права "истинной" частицы.

Ядерный реактор - мощный источник электронных антинейтрино. Поток этих частиц рождается в активной зоне при ]*> -распадах осколков деления. Для оценки полного числа антинейтрино, излучаемых реактором, тепловая мощность которого \л/ МВт, можно воспользоваться формулой: где: П с=. 6 - среднее число , испускаемых при делении ядра урана-235; В - 202 МэВ - средняя энергия, выделяемая в акте деления.

Для промышленных реакторов 1л/ превышает Ю3 МВт и соответ

10 i( У см* сек) ч ^W»

V гч N v ваэр-но ч< \ &&ЭР-1000 s ч ч ч т

10 if

20

Я, 25~

Расстояние от центра, активной зоны 6 м

Рис. I.

Зависимость потока антинейтрино от расстояния до центра активной зоны (реакторы ВЗЭР-440 и ВЗЭР-1000) ственно <Р ХО20 . Поток У^- антинейтршо на расстоянии

Я =(10 * 15) м от центра активной зоны составляет около (см. рис. I). Спектр реакторных антинейтрино - (Е) - простирается до - 10 МэВ и очень быстро падает с возрастанием энергии (см. рис. 2).

Источником электронных нейтрино могут служить и высокопоточные протонные ускорители - мезонные фабрики (ускорители высоких энергий, в основном, используются как источники мезонных нейтрино). Средняя энергия спектра для мезонной фабрики в десятки раз выше, чем энергия антинейтрино, испускаемых осколками деления в ядерном реакторе. Это существенное обстоятельство, так как сечение взаимодействия нейтрино с веществом быстро растет с энергией е , а интенсивность фоновых излучений падает с повышением энергетического порога регистрации. В то же время поток реакторных Уе. с с в месте расположения детекторов в (10 10 ) раз превышает нейтринный поток мезонных фабрик.

Трудности постановки нейтринных экспериментов на реакторах привели к тому, что на протяжении более чем 25 лет почти все их проводила группа Ф. Рейнесах\ В опытах этой группы изучались процессы обратного -распада на протоне (см., например, И и [4]), рассеяние нейтрино на электроне [5] , нейтральные токи [б] . Каждый из них был важным событием в физике элементарных частиц.

Только в последние годы эта монополия была нарушена группой физиков, руководимых Р. Мессбауэром. Основное направление их исследований - поиски нейтринных осцилляций Понтекорво [7-5-9].

С 1982 г. нейтринные эксперименты на реакторе атомной электростанции стали проводиться в СССР [ю].

Исключение составляли эксперименты Р. Дэвиса и его сотрудников по доказательству различия и Ы .

10 гЗ

10*

1 а 3 4 5 6 7 В У Е,

Рис. 2.

Спектр антинейтрино от осколков деления урака-235

Они опирались на разработанную в ИАЭ им. И.В. Курчатова программу фундаментальных и прикладных нейтринных исследований на реакторе АЭС (см. [II] и ссылки в ней). Эта программа включала в себя изучение процессов, индуцируемых , поиски нейтринных ос-цилляций, развитие методов нейтринной диагностики внутриреакторных процессов.

Остановимся более подробно на актуальности отдельных ее пунктов.

1.2. Изучение процессов, индуцируемых реакторными антинейтрино

В нейтринных экспериментах [3 * б] исследовались процессы, представленные в таблице I.

Таблица I ц/п 1. 2. 3. 4. ! Тип реакции Уравнение реакции Условные обозна= чения Порог реакции (МэВ) Величины,, у сечений (см2/ ) Ссылка

Обратный -распад (I) сер -1,8 шла [41 п+п+е{2) ССс/ - 4 -1,5-ЮГ45 [е]

Расщепление дейтона (нейтральные токи) (3) пей - 2,2 -4.10-45 [е]

Рассеяние антинейтрино на электроне ! Ve + е ' (4) для Е&-'> 1,5МэВ [5]

Общепринятые обозначения: С СР- сЬагу рго^п,

1Сс/-сиггеп^г c/euteгor? п.

Измеренные в опытах группы Рейнеса

Каждый из них, как уже было сказано, представляет значительный интерес. Так, изучение рассеяния антинейтрино на электроне важно душ теории электрослабого взаимодействия (оно обусловлено как заряженным, так и нейтральным токами) и представляет значительный интерес для астрофизики.

Наблюдение реакции расщепления дейтона подтвердило существование нейтральных токов в слабых взаимодействиях. Тем самым значительно расширился круг возможных реакций с участием нейтрино (например, возбуждение ядер).

Обратный £ -распад дейтона также имеет целый ряд интересных особенностей: прямой процесс, в котором два нейтрона превращаются в дейтон, электрон и антинейтрино, не доступен изучению; сечение реакции (3) зависит от характера взаимодействия нейтронов, образовавшихся в конечном состоянии и т.п.

Наконец, процесс

Мг + р Г) г С1) с его большим (по меркам нейтринной физики) сечением ( НКГ^см^/ в реакторном спектре) является одним из наиболее фундаментальных.

Он обратен распаду нейтрона п + (5) и сечение непосредственно связано со временем жизни нейтрона. Оно определяется также степенью поляризации ^е • Измерение <3^ послужило в свое время одним из доказательств двухкомпонент-ности нейтрино [з] .

Реакция (I) позволяет по измеренному энергетическому спектру восстановить спектр антинейтрино ( Л/$ (), поскольку энергией, уносимой нейтроном ( ~ 10 КэВ), можно пренебречь.

Эксперименты, выполненные группой Рейнеса [3 -г- б] , доказали, что перечисленные процессы существуют. Однако, во многом эти опыты носили лишь качественный характер. Развитие теории электрослабых взаимодействий, проверка новых гипотез, практические задачи требуют получения точных количественных результатов.

В разработанной нами программе, в первую очередь, предполагалось изучение обратного ^/3 -распада на протоне: измерение сечения этого процесса и получение данных о спектре "Цэ, .

Величина сечения интересна:

- как фундаментальная константа;

- для поиска осцилляций Понтекорво;

- для прикладных задач (энерговыработка реактора).

Знание спектра "Уе необходимо для:

- интерпретации любых других нейтринных экспериментов;

- поиска осцилляций Понтекорво;

- прикладных задач (состав активной зоны).

Одной из основных задач настоящей работы стало проведение измерений сечения обратного ^в -распада на протоне.

2.5. Основные результаты расчетных работ

Для сравнения результатов последних работ на рис. 6 приве

Е) (данная работа) дены графики зависимости отношения

A/rs-j (Е) (среднее значение) /vi?

БДК-7,

2,0 3,0 А, О 5,0 6,0 Е,МэВ

Рис. 6. Сравнение спектров антинейтрино от осколков деления урана-235, рассчитанных разными группами (заштрихованная область - десятипроцентное отклонение от

-чло тггтопл 'зигтртлоЛ от энергии. Для получения среднего значения }^)бтж взяты 4 работы: К-80 [Зб] , АМ-82 [Зб] , V-8I [42] , /Г^-82 [45] . Кроме того, на рисунке приведены данные БДК [28] и/?£-80 [34], хотя они и не входили в число усредняемых данный.

Если при энергиях Уе 1,5+2 МэВ отклонения результатов лежат в пределах - 5 % от среднего значения, то с ростом энергии они увеличиваются и при Е^ — 6 МэВ составляют уже ± 15 %.

Разброс результатов, полученных разными авторами, дает представление о погрешностях метода. Их первый источник - неопределенность в величинах кумулятивных выходов осколков. Она особенно сказывается для ядер, далеких от обзгасти ß -стабильности, которые дают вклад, в основном, в жесткую часть спектра Уе .

Надо сказать, что со временем данные о У Г г, а) пополняются и уточняются. Это иллюстрирует разница между спектрами БЖ и

К-80. Схемы распада ядер в названных работах при Е -.¿6 МэВ практике чески совпадают. Почти все различие можно отнести за счет того, что к 1980 году появились новые значения кумулятивных выходов для ряда ядер. Сейчас неопределенность в значениях УЪМ может привести к расхождению в I * 4 % при расчетах спектра антинейтрино в области 7 МэВшК Это касается деления урана-235. Ддя других делящихся ядер накоплен меньший материал о выходах осколков, и расхождения, соответственно, могут быть большими.

Второй источник ошибок - незнание точной величины энергий ß -переходов. Согласно Вогелю и дзр. [42] , это заметно ( — 5 %) сказывается на спектре только при ^ 6 МэВ, т.е. в области, ж^Мы исключили также из рассмотрения работу Диккенса [43] , поскольку она подвергалась обоснованной критике ряда авторов. нашим оценкам, сделанным путем вариации выходов, измеренных с низкой точностью. которая сама вносит менее 10 % вклада в сечение процесса (р, Я)^.

Наиболее существенное влияние, как это и было показано БДК , оказывает различие схем распада, принимаемых для "неизвестных" ядер. Это видно из сравнения работ Д& -80 [34] и АМ-82 [35]. Как пишут авторы, смягчение спектра произошло из-за того, что за прошедшие годы были получены новые данные по схемам распада. Сейчас, по оценкам Авиньона и Мора, оставшаяся неопределенность составляет 15 * 20 % для Е ^ 6 МэВ и возрастает до 60 % при Е = 10 МэВ. Это находится в согласии с нашими оценками.

Из сказанного очевидно, что ошибки расчетов уменьшаются по мере накопления и уточнения исходных данных. Сейчас же критерием их правильности может считаться метод сравнения экспериментальных и расчетных спектров электронов.

2.6. Точность относительных результатов.

Связь между спектрами антинейтрино и электронов

Остановимся теперь на вопросе о точности относительных результатов расчетов. Проблема впервые затронутая БДК и более подробно проанализирована в ряде наших работ [зэ] , [40] , [53 г 54] .

Как было в них показано, эти относительные результаты (наприл/^ГЕ) мер, отношение дифференциальных спектров U (EJ= . .- во

Л/$ (с.) много раз менее чувствительно к выбору исходных данных, в частности, схем распадов "неизвестных" ядер, чем сами спектры ( ^ и

Это видно из рис. 7, где приведена зависимость от энергии по данным последних работ. Вплоть до энергии антинейтрино 6 МэВ разброс точек не превышает 7 %9 тогда как сами спектры отличаются при энергиях 5*6 МэВ почти на 30 % (рис. 6).

Как уже говорилось, в работах К-80 и V"-81 были рассчи ке-si

К-80 о

1-1-1-1I11111

2.5 3,5- 4,5" $5 6,5 Е, МэВ

Отношение спектров антинейтрино от осколков деления урана-235 и плутония-239 (по данншл различных групп) таны спектры для 2381/ (деление быстрыми нейтронами) и Жри (деление тепловыми нейтронами). Данных о выходах осколков при делении этих ядер меньше, и их точность хуже, чем для у ^ Поэтому возможные ошибки расчетов, соответственно, больше. Расхождения в спектрах К-80 и V-8I для 238 V в области энергий Er, =3*6 МэВ лежат в полосе от 20 до 40 %.

Ve

В то же время отношения аШ(Р) - Л/ (Е) (К-80) Q(8)fc) S Л/ 17 (Е) ( У-81)

В) (К-80) U {bJ л/f W (K-8I) различаются для этих энергий в пределах 10 % (см. рис. 8а).

Аналогичные результаты получаются в случае антинейтринного спектра рц (см. рис. 86).

Лучшая точность относительных данных позволяет избежать больших ошибок при расчетах изменения спектра антинейтрино от реактора по мере накопления в его активной зоне плутония-239 и других делящихся изотопов. Мы подробнее остановимся на этом в следующем разделе.

Второй вывод из перечисленных работ касается связи между спектрами антинейтрино и электронов.

В работе БДК было предложено проверять точность расчетов Л/~ /¿^совпадением измеренных и рассчитанных спектров электронов. Однако, можно установить и прямую связь

Известно, что для ядра, испытывающего ß -распад, отличие спектров и & " связано с двумя причинами: прежде всего, влиянием кулоновского поля ядра на волновую функцию электрона и, во-вторых, наличием у электрона массы. С увеличением энергии перехода Eq причины эти все меньше влияют на форму JQ -спектра. Это видно из приводимых ниже цифр (таблица 3) отношений средней энергии

• I . J

И 1.0

1,0

Oß 1 t* Я 1,0

Oß

K-SO L 7 к-ъо

• v-a* 7

Рис. 8.

Отношения спектров антинейтрино от осколков деления: а) урана-238 (быстрыми нейтронами) и б) плутония-239 (тепловыми нейтронами) к такому не спектру от урана-235 (тепловые нейтроны) (по данным работ К-80 и -81) уЗ -спектра Е к Е0 догя легких и тяжелых осколков и для нескольких значений Е0 .

Глава 7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Трудности проведения нейтринных экспериментов на реакторах привели к тому, что на протяжении почти 30-ти лет группа Ф.Рейнеса была монополистом в этой области. По той же причине полученные ею результаты носили, в основном, качественный характер.

Разрабатывая программу фундаментальных исследований и первых практических применений нейтрино, мы стояли перед задачей не только ликвидировать существующее отставание, но и перейти от качественных оценок к количественным. Естественно, что для этого понадобилось пересмотреть или рассмотреть впервые целый ряд вопроров, связанных со спектром нейтринного излучения реактора, расчетами сечений взаимодействия *\>е и т.п.

Потребовалось и создание специализированной нейтринной лаборатории, детекторной техники, разработка контрольных опытов.

Новое направление - нейтринные исследования на реакторе АЭС, их обоснование, подготовка, проведение, а также результаты первых опытов составляют основное содержание настоящей диссертации.

В первой главе уже были перечислены положения, выносящиеся на защиту. Рассмотрим кратко подтверждающие их результаты.

В расчетно-теоретических и экспериментальных работах впервые было получено наиболее полное представление о нейтринном излучении реактора.

Для интерпретации результатов нейтринных экспериментов необходимо знать спектр л)^ , рождающихся в активной зоне. Такой спектр может быть получен расчетным путем или восстановлен из измеренного спектра электронов, излучаемых осколками деления.

Расчетные работы нашей группы позволили сделать следующие выводы.

1) При нахождении, спектра от реактора необходимо учитывать накопление в активной зоне 239 Рц , Рц , деление 238 I/

2) Полученные спектры антинейтрино следует проверять сравнением рассчитанного (по той же методике) спектра электронов с измеренным.

3) Наиболее существенное влияние на точность расчетов оказывает незнание схем распадов ряда осколков. Это особенно сказывается в жесткой (^ 4 МэВ) области спектра У^ . Поэтому спектры , (я)

V- (Е) , рассчитанные различными группами, отличаются друг от друга, и их разброс £ 5 % в области - 2 МэВ достигает £ 15 % для Ер = 6 МэВ.

4) Анализ показал, что относительные результаты, т.е. отношения спектров где С - 8, 9, I, К(Е) = ^ и т.н. гораздо слабее зависят от методики расчета, чем сами спектры. Это дает возможность с хорошей точностью учесть динамику "горения" делящихся веществ в активной зоне. Действительно, спектр Л^е от реактора можно записать как

8, 9, / 1 оС - расчетная величина числа делений С -го изотопа по отношению к полному числу делений. Было показано, что точность сейчас определяется точностью (Е) > поскольку ошибка расчетного множителя (в квадратных скобках) не превышает (I -г- 2) %.

5) Для нахождения Ар С&) можно воспользоваться устойчивостью отношения К(Е) и по измеренному спектру восстановить спектр Уе в момент их рождения.

6) В наших экспериментальных исследованиях были измерены от

Л/е- С ношения спектров — л. . .- и подтверждены расчетно

-теоретические предсказания. С помощью коэффициентов К(Е) были восстановлены и A/^Cs) (спектры БКК).

7) Параллельно с этим измерялись временные зависимости установления стационарного спектра после начала работы реактора. Было показано, что уже через 10 часов после его выхода на постоянную мощность величина ¿у отличается от стационарной менее, чем на 2 %.

8) Проводились опыты по поиску жесткого J5 -излучения осколков деления. Была установлена верхняя граница числа £ -частиц (для ¿^д > 14 МэВ), испускаемых при делении калифорния-252. Если для урана-235, плутония-239 число жестких близко к такому

ОСО ту о '-же числу для С/ (т.е. составляет (10 + 10 ) "Ч»/дел), то эффект от этих антинейтрино для экспериментов на реакторе пренебрежимо мал.

9) Работы, выполненные на спектрометре "Позитрон-20", так же, как и расчетные оценки, показали, что если нейтринная ( Ve ) ак тивность осколков деления 252 С/ , 235 ¿7" и 239/^ имеет одинаковый порядок, то вкладом этого излучения в исследуемые процессы можно пренебречь.

Результаты расчетов сечения обратного J3 -распада на протоне, учитывающие изменение спектра Уе. в ходе работы реактора

Число нейтринных событий Л/&р , зарегистрированных в детекторе, определяется:

- Фундаментальной величиной - сечением взаимодействия антинейтрино с протоном;

- спектром , излучаемым основным компонентом ядерного топлива - 235 V ;

- поправкой к спектру - К^ , возникающей за счет "горения" в активной зоне 238 £/ , 239 Л/ , 241 Ри ;

- потоком /-" (потоком "делений" на детектор); Г & '

- характеристиками детектора.

Характеристики детектора будут обсуждаться ниже.) э^р выражается через те же константы слабого взаимодействия, что и время жизни нейтрона. Анализ экспериментальных данных показал, что в качестве ¿п следует принять значение (630 £ 20) с.

Усреднение <3^ по различным спектрам Л/^ (е) дает значение - (6,5 ± 0,7)«ЯГ43 см2/дел. Ошибка взята по разбросу полученных значений. Для спектра БКК (7,2£0,65)*10"43 см2/дел.

Результаты оценки меняющихся в процессе работы ВВЭР-440 величины поправки К£ и средней энергии, выделяющейся при делении , показали, что эти величины могут быть оценены с погрешностью (1+2)%.

Таким образом, открывается принципиальная возможность точного измерения сечения и решения обратной задачи, определения энерговыработки реактора £- IVпо числу зарегистрированных нейтринных событий.

Создание специализированной нейтринной лаборатории на

Ровенской АЭС, позволяющей проводить как фундаментальные. так и прикладные исследования

На основе технического задания ИАЭ им. И.В. Курчатова организации Минэнерго СССР и УССР спроектировали и построили под реактором ВВЭР-440 2-го блока РАЭС специализированную нейтринную лабораторию. Весь период проектирования, строительства и ввода в строй помещений лаборатории сотрудники нашей группы курировали эти работы и принимали в них непосредственное участие.

При создании лаборатории были приняты меры для уменьшения фона. Экспериментальный зал отделен от корпуса реактора защитой из обычного и тяжелого бетона общей толщиной ~1,3 кг/см2. Благодаря подземному расположению экспериментального зала общее количество материалов над ним превышает 30 м водного эквивалента, что полностью подавляет ядерно-активную компоненту космического излучения и снижает интенсивность мюонов в (6 7) раз.

Для уменьшения фона естественной радиоактивности экспериментальный зал облицован сталью толщиной 160 мм. В зале смонтированы заполняемые водой тонкостенные баки, образующие "домик", в который может помещаться нейтринный детектор.

Нами был рассмотрен ряд процессов, индуцируемых Х^ ( р), л—» уе , в ) - рассеяние, "развал" дейтона и т.п.), которые можно наблюдать в лаборатории, и получены оценки ожидаемого эффекта.

При расчете потока Хз учитывалась неоднородность энерговыделения в реакторе для различных периодов его работы.

Создание сдинтиллядионного спектрометра для регистрации процесса "^е Ср, п) е . Разработка нового типа ЖС . Методика . контрольных опытов

Реакция (I) регистрировалась по задержанным совпадениям между импульсами от в*" и у-квантами от захвата нейтрона. Случайный фон учитывался также методом задержанных совпадений.

Созданный для изучения обратного -распада на протоне сцин-тилляционный спектрометр отвечал необходимым требованиям:

1. Большой объем ( ~-240 л) водородосодержащего ЖС и относительно высокая эффективность регистрации процесса (I) - ( -30 %)

- обеспечивали достаточно быстрый набор статистики ('-300 шт/сутки). Это много выше, чем полезный эффект, полученный в аналогичных экспериментах, поставленных группами Ф. Рейнеса и Р. Мессбауэра.

2. Расположение вокруг детектора легких материалов, значительно уменьшивших генерацию быстрых нейтронов космическими мюона-ми, системы активной и пассивной защиты, примененный метод регистрации, - все это позволило получить хорошее соотношение эффект/фон. (В опытах на РАЭС эффект/случайный фон = (1,3 * 2) и эффект/коррелированный фон =-2,5.)

3. Высокая оптическая прозрачность бака детектора, однородность светосбора в нем, а также специально разработанный жидкий сцинтиллятор позволили добиться лучшего энергетического разрешения, чем в других известных нам приборах такого типа.

4. Конструкция установки позволяет на ее основе создавать в дальнейшем большие по весу и достаточно доступные по технологии и стоимости детекторы, что особенно важно для прикладных работ.

Для регистрации процесса (I) (в условиях работы на АЭС) был создан жидкий' сцинтиллятор, обладающий высокой прозрачностью, хорошей сцинтилляционной эффективностью, длительной временной стабильностью этих свойств. В нем впервые был применен вторичный растворитель - 2МД, а в качестве нейтронно-чувствительной добавки использовалась специально синтезированная комплексная соль гадолиния.

Нами была разработана методика измерений необходимых параметров ЖС.

При энергетической калибровке детектора с помощью источников гамма-излучения учитывались физические причины, нарушающие линейную зависимость между световым выходом и энергией, потерянной квантом в ЖС. Расчеты проверялись в контрольных экспериментах.

Пространственное и энергетическое распределение продуктов реакции (I) не удается полностью имитировать с помощью каких-либо источников излучения. Поэтому эффективность регистрации процесса детектором была рассчитана, а расчеты проверены в серии контрольных опытов.

Наибольшую трудность представляла проверка нейтронных блоков программы. Но и здесь удалось разработать методику, при которой из расчетов бралась лишь поправка, связанная с отличием поведения нейтронов в реакции (I) от нейтронов источника калифорний-252.

Проведение цикла нейтринных экспериментов по обратному /3 -распаду протона на РАЭС и результаты этих экспериментов:

- определение ;

- оценка параметров нейтринных осцилляций;

- доказательство возможности дистанционного определения выгорания ядерного топлива и нахождения энерговыработки реактора по "показаниям" нейтринного детектора. с

Общее живое время нейтринных опытов составило 5,12-10 с, а число зарегистрированных реакций (I) - 8 тысяч.

Цикл экспериментов включал в себя:

- "предварительный опыт", в ходе которого было доказано, что детектор регистрирует нейтринные события, получены оценки случайного и коррелированного фонов и оценено сечение реакции (I) 5,6'Ю""43 см2/дел ± 20 % (статистика) % 12 % (систематика);

- "основной опыт" ;

- "дополнительные опыты", в которых опробывались режимы работы детектора или набиралась статистика при мощности реактора, отличающейся от номинальной.

Каждый из опытов был разбит на серии по 10^ с, перед которыми измерительная аппаратура проходила подстройку и контроль. В начале и в конце каждого опыта осуществлялась дополнительная серия проверочных экспериментов с помощью источника излучения, светоди-одов и т.п. В результате общая погрешность, вносимая нестабильностью аппаратуры, не превышала ± 1,5 %,

В ходе "основного опыта" были проведены измерения нейтринного эффекта, случайного и коррелированного фонов

Ъ^ = (269 - 13) шт за Ю5 с А/<9> = (109 ± 4) шт за Ю5 с. с

Случайный фон составляли в среднем 200 шт за 10 с. Было доказано, что коррелированный фон не связан с работой реактора.

Главный результат эксперимента - величина полного сечения реакции в спектре от осколков деления урана-235 составляет

Су)

О / = 6,24га-43 см2/дел. /

Статистическая ошибка £ 5 %, систематическая - 9 %.

При оценках погрешностей величин, входящих в выражение для

С,г\ были тщательным образом проанализированы все источники уошибок, связанных с динамикой активной зоны реактора, геометрией детектора, составом и объемом ЖС, эффективностью регистрации процесса (I).

Значение (экса.) в пределах ошибок совпадает с величиной (7,2 ± 0,65)«Ю-43 см2/дел, полученной в работе БКК. В настоящее время точность оценки полученная в "основном опыте", выше, чем в других нейтринных экспериментах. су) > (г)

Сравнение сечений (эка?.) с (расч.) позволяет получить оценку на параметры нейтринных осцилляций. Если использовать в качестве расчетных значений значения из работы БКК, то

0.1 эВ2 для - I (максимальное смешивание) и для 5 эв2.

Результаты "дополнительных" и "основного" опытов позволяют сделать важный вывод о возможности практического применения нейтрино.

Как "абсолютный" прибор, детектор НД-1 может определять энерговыработку £ и выгорание ядерного топлива М с точностью - 12 %. Очевидны пути уменьшения погрешностей (см. ниже).

При относительных измерениях ошибка составляет менее 5 %, Сравнение абсолютных и относительных шкал обнаруживает согласие в пределах ошибки.

Полученные результаты позволяют обосновать развитие нового направления - количественных фундаментальных и прикладных нейтринных исследований на ядерных реакторах.

В ближайшей перспективе работы на установке НД-1 намечается создание дополнительной активной защиты, принятие мер по снижению фона случайных совпадений, увеличение быстродействия электронной схемы регистрации, уточнение расчетов.

Это должно привести к уменьшению случайного и коррелированного фонов, к увеличению точности определения Г . Ожидается, что в будущих экспериментах статистическая точность определения составит (2 * 3) %, а методическая (4 * 5) %. Будет получен с хорошей точностью спектр Л/^С^) .

Интерпретация результатов потребует более высокой точности определения спектра реактора. Поэтому, наряду с опытами в нейтринной лаборатории, будут продолжены эксперименты по измерению спектров электронов от осколков деления, работы по связи и (£) и уточнению расчетных величин, связанных с динамикой работы реактора.

Установка НД-1 служит базой для создания новых типов нейтринных детекторов. Разработанный ЖС по своим параметрам уже сейчас подходит для использования в установках значительно большего объема (несколько кубометров). Продолжаются работы по его совершенствованию.

Для прикладных работ существуют все возможности повышения точности измерений <£ и M . Погрешность абсолютных измерений может быть доведена до ** 6 % в недалеком будущем. В относительном методе ошибки шкалы прибора во многом определяются точностью, с которой при его калибровке может быть независимым методом измерено энерговыделение. Вероятно, в обозримом будущем, этот предел составит i 1,5 %. Увеличение на порядок объема детектора существенно ускорит набор необходимой статистики.

Ближайшей задачей спектральных исследований должно стать прямое определение накопления плутония-239 по деформации спектра антинейтрино.

Автор выражает глубокую признательность сотрудникам ИАЭ им. И.В. Курчатова, вместе с которыми он работал над подготовкой и проведением нейтринных экспериментов.

Хотелось бы особенно поблагодарить В.Ф. Апалина, А.И. Афонина, С.А. Богатова, В.И. Бутурлина, А.Г. Вертинского, С.Л.Гаврилова, Ю.Л. Добрынина, В.В. Добромыслова, C.B. Егорова, С.Н. Кетова, Ю.В. Климова, В.И. Копейкина, Л.А. Левину, А.Е. Макеенкова, И.В. Наумова, C.B. Николаева, К.В. Озерова, A.B. Перфилова, Х.В. Протопопова, С.Ю-; Серякова, В.В. Синёва, Н.П. Ускову, H.A. Фатиева, А.Г. Харченко, A.B. Чернова, А.Н. Херувимова, Л.И. Цуканова, К.Д. Школьника.

Выражаю глубокую благодарность за повседневное внимание и помощь Л.А. Микаэляну.

Благодарю А.Г. Зеленкова, Ю.Б. Королевича, В.М. Кулакова, Ф.Е. Чукреева, В.Д. Сидоренко за поддержку и содержательные дискуссии.

Большая и действенная помощь была оказана новому направлению нейтринных исследований со стороны М.А. Маркова и С.Т. Беляева.

Настоящая работа не могла бы быть выполнена без поддержки Министерства Энергетики и Электрификации СССР и УССР, Госстроя СССР, без участия проектных и строительных организаций.

Мы ощущали активную помощь со стороны дирекции РАЭС во главе с В.А. Коровкиным, со стороны физической лаборатории, возглавляемой С.А. Коданёвым,и других служб станции.

Автор благодарит за плодотворное сотрудничество коллектив сотрудников Института Химии Башкирского Филиала АН СССР во главе с Г.А. Толстиковым и Ю.Е. Никитиным, сотрудников НИЙНЕФТЕХИМ, возглавляемого P.M. Масагутовым.

1. Reines P., Cowan C.L. Detection of the free neutrino. Phys. Rev., 1953, 92, 830.

2. Davis R., Harmer D.S. Attempt to observe the ^Cl(v, "e)^Ar reaction induced by reactor antineutrinos. Bull.Amer.Phys. Soc., 1959, 217.

3. Reines F., Cowan C.L. Free antineutrino absorption cross-section. I. Measurement of the free antineutrino absorption cross-section by protons. Phys.Rev., 1959, 113, 273*

4. Nezrick P.A., Reines P. Fission-antineutrino interaction with protons. Phys.Rev., 1966, 142, 852.

5. Reines F., Gurr H.S., Sobel H#W. Detection of v -e" scatterбing. Phys.Rev.Lett., 1976, 37, 315.

6. Pasierb E., Gurr H.S., Lathrop J., Reines F., Sobel H.W. Detection of weak neutral current using fission v on deuVterons. Phys,Rev.Let., 1979, 43, 96.

7. Boehm F., Cavaignac J.F., Feilitzsch F.V., Hahn A.A., Hen-rikson H.E., Koang D.H., Kwon H., MSssbauer R.L., Vignon В., Vuilleumier J.L. Experimental study of neutrino oscillations at a fission reactor. Phys.Let., 1980, B92, 310.

8. Kwon H., Boehm F., Hahn A.A., Henrikson H.E., Vuilleumier J.L., Cavaignac J.F., Koang D.H., Vignon В., Felitzsch F.V., Mössbauer R.L. Search for neutrino oscillations at a fission reactor. Phys.Rev.D., 1981, 24, 1097.

9. Vuilleumier J.L., Boehm F., Egger J., Feilitzsch F.V., Ga-bathuler K., Gimlett J.L., Hahn A.A., Kwon H., M'össbauer R.L., Zacek G., Zacek V. New limits on oscillation parameters for electron antineutrinos. Phys.Lett.,1982,114B,298.

10. Hampel W. Low-energy neutrinos in astrophysics. Neutrino physics and astrophysics (Neutrino-80), Plenum Press, New-York and London, 1982, 61.

11. Козик B.C., Любимов B.A., Новиков Е.Г., Нозик В.З., Третьяков Е.Ф. Об оценке массы v по спектру fi -распада трития в валине. ЯФ., 1980, 32, 301.

12. Barabanov I.R., Egorov A.I., Gavrin V.N., Kopysov Yu.S., Zatsepin G.T. Present state and outlook for development of solar neutrino astronomy. Neutrino physics and astrophysics (Neutrino-TT), Hauka, M., 1978, 1, 20.

13. Nemethy P., Willis S.E., Hughes V.W., Burman R.L., Cochran D.R.F., Prank J.S., Redwine R*P., Duclos J., Kaspar H., Hargrove G.K., Moser U. Limits on neutrino oscillations from muon-decay neutrinos. Phys.Rev.D., 1981,. 2^, 262.

14. Silverman D., Soni A. Analysis of reactor experiments for neutrino oscillations. Phys.Rev.Lett., 1981, 467.

15. Боровой А.А., Кетов C.H., Микаэлян Л.А., Перфилов А.В., Херувимов A.H. Возможность наблюдения нейтринных осцилляции в потоке ve от ядерного реактора. Препринт ИАЭ 3317/2, Москва, 1980.

16. Морохов Й.Д., Мясников К.В., Шмелев В.Н. Мирное использование атомной энергии и проблема нераспространения атомногооружия. Атомная энергия, 1976, 40, 99.

17. Боровой А.А., Микаэлян Л.А. О нейтринной диагностике вну-триреакторных процессов. Препринт ИАЭ-2546, Москва, 1975.

18. Боровой А.А., Микаэлян Л.А. Возможности практического использования нейтрино. Атомная энергия, 1978, 44, 508.

19. King R.W., Perkins J.P. Inverse beta decay and the two-component neutrino. Phys.Rev., 1958, 112. 963.

20. Avignone P.Т., Blankenship S.M., Darden C.W. Theoretical fission-antineutrinos spectrum and cross-section of the reaction 3He (v , e+)3H. Phys.Rev., 1968, 1J0, 931.

21. Avignone F.T. V-A elastic scattering of electrons by fission-antineutrinos. Phys.Rev.D., 1970, 2, 2609.

22. Боровой A.A., Добрынин 10.Л., Копейкин В.PI. Энергетические спектры электронов и антинейтрино от осколков деления 235и и 239Ри тепловыми нейтронами. ЯФ., 1977, 25, 264.

23. Kutcher J.W., Wyraan М.Е. An experimental study of the time235dependence of the beta energy spectrum from fissionfragments. Nucl.Sci.Eng., 1966, 26, 435.

24. Tsoulfanidis U., Wehring B.W., Ytyman M.E. Measurements oftime dependent energy spectra of beta rays from uranium-235 fission fragments. Nucl.Sci.Eng** 1971, 41, 42.

25. Avignone P.Т., Hopicins L.P. Interpretation of experiments with reactor antineutrinos. Neutrino physics and atrophy-sics (Ueutrino-78), Purdue, 1978, C42.

26. Avignone P.Т., Hopkins L.P., Greenwood Z.D, Theoretical beta spectrum from uranium-235 fission fragments in secular equilibrium. Nucl.Sci.Eng., 1979, 72, 216.

27. Avignone P.Т., Greenwood Z.D. Calculated spectra of antineu trinos from the fission products of 235U, 238U and 239Bu, and antineutrino-induced reactions. Phys.Rev.C., 1980,22, 594.

28. Avignone P.Т., Greenwood Z.D. Weak neutral disintegration of the deuteron by reactor antineutrinos. Phys.Rev.D., 1978, 12, 154.

29. Avignone P.Т., Moore R.S. Reactor antineutrino spectra and nuclear spectroscopy of isotopes far from beta stability. Preprint U.S.Department of Energy, Contract DE-AS09-79ER 10434, Columbia, 1982.

30. Копейкин В.И. Бета-спектры от смеси продуктов деления ядер (расчет и анализ корреляций), ЯФ., 1980, 32, 62.

31. Копейкин В.И. Спектры электронов и антинейтрино от осколков деления 235и , 239Pu , 24IPu тепловыми и 238 и быстрыми нейтронами. ЯФ., 1980, 32, 1507.

32. Боровой А.А., Копейкин В.И., Микаэлян JT.A. Измерение бета-спектра осколков деления 23^и , и проблема спектров реакторных ve . Письма в ЖЭТФ, 1981, 33, 426.

33. Боровой А.А., Копейкин В.И., Микаэлян Л.А., Толоконников С.В. О связи между спектрами реакторных vQ и р -электронов. ЯФ., 1982, 36, 400.

34. Боровой А.А,, Климов Ю.В., Колейкин В.И., Микаэлян Л.А., Толоконников С.В. Проблема спектров реакторных vQ . Вопросы атомной науки и техники. Серия: общая и ядерная физика., 2(20). 51, Харьков, 1982.

35. Davis B.R., Vogel P., Mann P.M., Schenter R.E. Reactor antineutrino spectra and their application to antineutrino-®-induc-ed reactions. Phys.Rev.C., 1979, 19, 2259.

36. Vogel P., Schenter G.K., Mann P.M., Schenter R.E. Reactor antineutrino spectra and their application to antineutrinoinduced reactions. II. Phys.Rev.C., 1981, 24, 1543.235

37. Dickens J.K. Electron antineutrino spectrum for U (n,f). Phys.Rev.Lett., 1981, 46, 1061.

38. Klapdor H.V., Metzinger J. Antineutrino spectrum from the fission products of 239Pu. Phys.Rev.Lett., 1982, 48, 127.

39. Klapdor H.V., Metzinger J. Calculation of the antineutrino spectrum from thermal fission of -^U. Phys.Lett., 1982, 112B, 22.46. 1усев H.T., Дмитриев П.П. Радиоактивные цепочки. Справочник. М., Атомиздат, 1978.

40. Горбачев В.М., Замятин Ю.С., Лбов А.А. Взаимодействие излучений с ядрами1' тяжелых элементов и деление ядер. Справочник. М., Атомиздат , 1976.

41. Колобашкин В.М., Рубцов П.М., Алексанкин В.Г., Ружан-ский П.А. Бета-излучение продуктов деления. Справочник. М., Атомиздат, 1978.

42. Madland D.G., England T.R. Distribution of independent fission-product yeild to isomeric states. Trans.Amer.Iiucl.Soc.,1976, 24, 461.

43. Wapstra A.H., Bos К, The 1977 atomic mass evaluation. Atomic Data and Nucl. Data Tables, 1977, .19., No.3.

44. Grouch E.A.C. Fission product chain yields. Atomic Data and Nucl. Data Tables, 1977, 19, Ho.5.

45. Denschlag J.O. Isobaric charge distribution. Proc. of Panel on Fission Prod.Nucl.Data, Petten-1977, Vol.11, p.441. IAEA-213, Vienna, 1978.

46. Боровой А.А., Климов Ю.В., Копейкин В.И. Экспериментальноеросисследование спектров jS-частиц от осколков деления и и Ри тепловыми нейтронами. Препринт ИАЭ-3465/2, Москва, 1981.

47. Боровой А.А., Климов Ю.В., Копейкин В.И. Измерение СПеКТpqC OQQров электронов от продуктов деления и и Ри тепловыми нейтронами. ЯФ., 1983, 37, 1345.

48. Carter R.E., Reines F., Wagner J.J., Wyman M.E. Free antineutrino absorption cross-section. II. Expected cross-section from measurements of fission fragment electron spectrum. Phys.Rev., 1959, ЦЗ, 280.

49. Овчинников Ф.Я., Голубев Л.И., Добрынин В.Д., Клочков В.И., Семенов В.В. Эксплуатационные режимы водо-водщных энергетический ядерных реакторов. Атомиздат, Москва, 1979.

50. Круглов А.К., Рудик А.П. Искусственные изотопы и методика расчета их образования в ядерных реакторах. Атомиздат, Москва, 1977.

51. Kochanovskaja L.V. Wahe des Verfahrens fUr die Kassetenbe-wegungen bei der Brennstoffumladung im Reactor WWER-440. Kernenergie, HeIf 10/1977, 307.

52. Алексанкин В.Г., Лютостанский Ю.С., Панов И.В. Периоды полураспада ядер, удаленных от линии стабильности и структура силовой функцииjS -распада. ЯФ., 1981, 34, 1451.

53. Гапонов Ю.В., Лютостанский Ю.С. Микроскопическое описание гаммов-телеровского резонанса и коллективных изобарических Г*-состояний сферических ядер. ЭЧАЯ, 1981, 12, 1324.

54. Schreckenbach К., Faust H.R., Eelitzsch F,V., Hahn A.A., Hawerkamp K., Vuilleumier J.L. Absolute measurement of the beta spectrum from -^U fission as a basis for reactor antineutrino experiments. Phys.Lett., 1981, B99, 251.

55. Мигдал A.Б. Фермионы и бозоны в сильных полях. М., Наука, 1978.

56. Попов А.Б., Самосват Г.С. Поиск нейтронов с энергией более 40 МэВ при делении. ЯФ., 1979, 30, 313.

57. Боровой А.А., Копейкин В.И., Микаэлян Л.А., Школьник К.Д. Поиски образования сверхплотных ядер при делении. Письма в ЖЭТФ, 1978, 27, 525,

58. Боровой А.А. Верхняя граница интенсивности позитронногонейтринного) излучения осколков деления тяжелых ядер. Препринт ИАЭ-2800, Москва, 1977.

59. Домогацкий Г.В. Верхнее ограничение величины возможного закона сохранения лептонов, основанное на результатах нейтринных экспериментов на реакторе. ЯФ., 1975, 22, 1267.

60. Apalin V.F., Borovoy A.A., Kheruvimov А.И., Kopeykin V.l. A low-background positron spectrometer. Nucl.Instr.Meth., 1977, I£3, 71.

61. Боровой A.A., Копейкин В.И., Херувимов А.Н. Поиски позиркртронной активности осколков деления Cf. ЯФ., 1976,24. SS6.

62. Боровой A.A., Кетов С.Н., Херувимов А.Н. Поиски нейтринрсрно-дефицитных осколков деления cf. ЯФ., 1980, 31, 887,

63. Sobel H.W., Reines P., Pasierb S. .Low energy neutrino interactions. Neutrino physics and astrophysics (Heutrino-80), Plenum Press, Hew York and London, 1982, 241.

64. Ферми Э. Ядерная физика, ИЯ., Москва, 1951.

65. Микаэлян Л.А., Ципоев В.Г., Боровой A.A. Вынужденный захват орбитального электрона. ЯФ., 1967, 6, 349.

66. Дэвис Р. Выступление в дискуссии. Труды международного семинара по физике нейтрино и нейтринной астрофизике.

67. Т.2, 102, Наука, Москва, 1969.

68. Wilkinson. Analysis of neutron -decay. Nucl.Phys., 1982, A377, 474.

69. Боровой A.A., Кетов С.Н., Херувимов А.Н., Школьник К.Д. 0 сечении взаимодействия антинейтрино с протоном. Препринт ИАЭ-2998, Москва, 1978,

70. Боровой A.A., Кетов С.Н., Копейкин В.И., Херувимов А.Н., Школьник К.Д. О сечении взаимодействия антинейтрино спротоном. ЯФ., 1979, 30, 149.

71. Cristiansen C.J., Nielsen A., Bajasen A., Brown Y/.K., Rus-tad B.M. Free neutron beta-decay half life. Phys.Rev.D., 1972, 1628.

72. Бондаренко Л.Н., Кургузов В.В., Прокофьев Ю.А., Рогов Е.В., Спивак П.Е. Измерение периода полураспада нейтрона. Письма в ЖЭТФ, 1978, 28, 329.

73. Byrne J., Morse J., Smith К.P., Shaikh P. A nev; measurement of the neutron lifetime. Phys.Lett., 1980, 92B, 274.

74. Reines F., Cowan C.L., Harrison P.В., McGuire A.D.,Kruse H.W. Detection of the free antineutrino. Phys.Rev., 1960, 117« 159.

75. Боровой A.A., Микаэлян JI.А. Нейтринная лаборатория на АЭС. Атомная энергия, 1983, 54, 144.

76. Боровой А.А. Первая в мире нейтринная лаборатория на атомной электростанции. Квант, 1983, 4, II.

77. Боровой А.А., Микаэлян Л.А. Нейтринная лаборатория на АЭС. Вопросы атомной науки и техники. Серия: общая и ядерная физика, 4(25). 57, Харьков, 1983.

78. Скворцов С.А., Миллер О.А. Контроль ядерных материалов на атомной электростанции с реактором ВВЭР. Safeguarding nuclear materials symposium, Vienna, 1975, 1., 187.

79. Беленький C.H., Добрынин Ю.Л., Земляков М.В., Микаэлян Л.А.', Скорохватов М.Д., Этенко А.В. Новый эксперимент по обратному бета-распаду протона на ядерном реакторе. Письма в ЖЭТФ, 1983, 39, 409.

80. Попеко Л.А., Дебрин А.В. Экспериментальные возможностиизучения V и V взаимодействий на высокоточном реакто-б ©ре "Пик". Препринт ЛИЯФ, Л 585, 1980, Ленинград.

81. Боровой А.А., Бутурлин В.И., Добрынин Ю.Л., Микаэлян Л.А. Расчет модели детектора для регистрации обратного j3 -распада. Препринт ИАЭ-2770, Москва, 1977.

82. Heinrich Н.С., Gabbe Е.Е., whang D.H. Empfindlichkeits und GGtekenngr<5ben des Hamburger 4 J7 -Grobraum-RadioaktivitS.ts-detektors mit fetissigem organischen scintillator. 1. Atompa-xis, 1965, 11, 430.

83. Алхазов И.Д., Косточкин О.И., Малкин JI.3., Петржак К.А., Фомичев А.В., Шереметьев А.К., Шпаков В.И. Установка для многопараметровых исследований деления. Препринт РИАН, РИ-49, Ленинград, 1976.

84. Безруков Л.Б., Береснев В.И., Захаров А.В., НюнинМ.И., Ряжская О.Г. Сцинтилляционный счетчик объемом 300 л для регистрации нейтронов. Монокристаллы, сцинтилляторы и органические люминофоры, выпуск 5, 124, Харьков, 1970.

85. Цирлин Ю.А. Светособирание в сцинтилляционных счетчиках. Атомиздат, 1975, Москва.

86. Scintillator catalogue 1973. Nuclear Enterprises Limited, 14, Edinourg, 1973.

87. Марков Ю.Я., Ряжская О.Г. Сцинтиллятор для регистрации медленных нейтронов. ПГЭ, 1970, 4, 50.

88. Боровой А.А., Бутурлин В.И., Протопопов Х.В. Нейтронно-чувствительные жидкие сцинтилляторы на основе декалина и декана. Препринт ИАЭ-2743, Москва, 1976.

89. Афонин А.И., Богатов С.А., Боровой A.a., Вертинский А.Г., Гаврилов СЛ., Добрынин Ю.Л., Кетов C.ÏÏ., Климов Ю.В., Копейкин В.Н., Левина Л.А., Микаэлян Л.А., Николаев C.B.,

90. Озеров К.В., Синёв В.В., Херувимов А.Н. Измерение сечения обратного бета-распада протона в эксперименте на ядерном реакторе. Письма в ЖЭТФ, 1983, 38, 361.

91. Добрынин Ю.Л., Микаэлян Л.А. Сцинтилляционный дефект в бесконечной органической среде. Препринт ИАЭ-3229/2, Москва, 1980.

92. Добрынин Ю.Л. Программа расчета распространения нейтронов и ^"-квантов в сложных средах ( ïïeugam). Препринт ИАЭ-3173, Москва, 1979.

93. Добрынин Ю.Л. Моделирование реакции v + р п + е+св сцинтилляционном детекторе (расчет и сравнение с экспериментом). Препринт ИАЭ-3675/2, Москва, 1982.