Jaderní duchové

Píše se rok 2030. Po letech sporů vedení Severní Koreje souhlasí s tím, že zastaví výrobu plutonia pro zbraně a zničí jeho zásoby. Vedoucí představitelé pozvou inspektory, aby sledovali, jak toto jaderné palivo nakládají do reaktorů a mění ho na formu, která je pro bomby nevyužitelná. Severokorejci však část plutonia tajně odkloní a místo jím naplní reaktor  lower-grade uranem. Uran emituje záření, které zahrnuje neutrina a jejich antihmotové protějšky antineutrina  – neškodné a lehké subatomární částice, které jako duchové procházejí dokonce olovem či skálou. Mezinárodní autority tuší úskok a zaparkují u severokorejského reaktoru zařízení o velikosti SUV. Během několika měsíců potvrdí podvod  díky  charakteristickému vzoru antineutrin, která proudí ze zařízení.

Tento scénář by se mohl stát v příštích letech realitou, neboť nástroje částicové fyziky se využívají k boji proti nedovoleným jaderným programům. Nový návrh, který byl nedávno podrobně rozveden na předtiskovém serveru arXiv.org, popisuje, jak postavit detektor antineutrin, který by dokázal během několika měsíců určit, zda se v reaktoru používá palivo vhodné pro výrobu zbraní. Potřeba takové detekce je nyní naléhavější. Severní Korea pokročila v technologii raket a Írán je už schopen mít vlastní jaderný program, takže ověřování je nanejvýš důležité. V březnu ministr zahraničí USA Rex Tillerson volal po „odlišném přístupu“ k maření severokorejských jaderných ambicí a řekl, že samotný diplomatický nátlak selhal.

Antineutrina jsou vedlejším produktem štěpení v jaderném reaktoru, v němž se atomové jádro radioaktivního prvku, jako je plutonium, rozpadá na lehčí prvky. Při jednom typu radioaktivity, kterému se říká rozpad beta, se uvolňuje buď pozitron a neutrino, nebo elektron a antineutrino. Toto antineutrino reaktor prozradí, neboť jen radioaktivní prvky v jaderném palivu jich i ve stabilním stavu uvolňují velké množství.

Sledování založené na antineutrinech je podnětem pro Spojenými státy vedený projekt WATCHMAN (WATer CHerenkov Monitor for ANtineutrinos). Zařízení WATCHMAN se má skládat  z nádrže obsahující tisíce tun vody obohacené gadoliniem a mohlo by teoreticky detegovat antineutrina z nedovoleného reaktoru vzdáleného až 1000 kilometrů. Je těžké diplomatickou cestou požádat ostražitý stát, aby povolil inspektorům vybudovat obrovské vodní nádrže v blízkosti přísně střežených zařízení, takže možnost detekce na velké vzdálenosti se hodí.

Když antineutrino narazí do protonu – jádra atomu vodíku v molekule vody v obrovské nádrži, změní tento proton v neutron a pozitron. Pozitron se pohybuje tak rychle, že vysílá světlo zvané Čerenkovovo záření – optický ekvivalent zvukového třesku, který vzniká, když se nabitá částice v nějaké látce  pohybuje rychleji než světlo. Ve vakuu se nic nepohybuje rychleji než světlo, ale v jiném médiu, například ve vodě, sklu či vzduchu,  je rychlost světla menší a může být překonána. Pozitron z antineutrina tak bude v nádrži zařízení WATCHMAN generovat záblesk. Mezitím gadolinium ve vodě nasaje neutron – tento proces emituje druhý záblesk. Tento charakteristický dvojitý záblesk prozradí přítomnost jaderného reaktoru i to, v kterém směru se nachází.

WATCHMAN umí ukázat, zda je reaktor aktivní a kde se nachází, ale nedokáže určit přesné složení směsi paliva, jako je  vysoce obohacené plutonium a uran. Patrick Jaffke, postdoktorální stážista v Národní laboratoři Los Alamos a spoluautor nového návrhu, navrhuje  malou verzi, kterou by bylo možno umístit poblíž reaktoru, kde by určila typ jaderného paliva uvnitř tak, že by analyzovala aktivitu  antineutrin. Jeho konstrukce by měřila spektrum a tvar počátečního záblesku Čerenkovova záření, a tudíž energii původních antineutrin z pozitronů. Po vynesení distribuce energie detegovaných pozitronů do grafu by mohl inspektor odhadnout, kolik z celkové emise antineutrin bylo z daného typu paliva v aktivní zóně reaktoru.

Místo vody Jaffke navrhuje použít plast nebo jiný  do protonů zabalený uhlovodík, který by zvyšoval pravděpodobnost srážky antineutrina s protonem a řádově by snížil velikost zařízení. Takový detektor by poté bylo možno umístit několik desítek metrů od reaktoru.

I když by byl takový detektor menší, stále by byl problémem šum pozadí. Například kosmické paprsky mohou vytvářet neutrony, které jsou podobné těm z neutrinových reakcí. Tento problém by mohlo vyřešit umístění detektoru antineutrin pět až deset metrů pod zem a dostatečně blízko reaktoru, říká Steven Dazeley z Lawrence Livermore National Laboratory, který v roce 2016 vedl analýzu faktorů šumu, s nimiž se bude potýkat WATCHMAN. Mohlo by pomoci také dodatečné stínění zařízení.

Existují jiné návrhy zařízení, které potřebují jen malé stínění nebo žádné. A pomoc by mohla přijít od několika skupin po celém světě, které pracují na technologiích detekce neutrin a antineutrin pro fyzikální výzkum.

„Už dlouho se pro antineutrina hledá praktické využití,“ říká Jaffke. „Tohle je jeden z nejbáječnějších aspektů“ využití částic k detekci jaderného paliva vhodného k výrobě zbraní. Doufejme, že žádné neodhalí.

— Jesse Emspak

Severokorejské zařízení Yongbyon, které můžete vidět na tomto satelitním snímku z roku 2008, podle všeho vyrábělo plutonium pro použití v jaderných zbraních.

Vložený obrázek ukazuje stavbu v reaktoru v roce 2015.