Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Развитие проекта происходит в двух основных направлениях: (I) теоретические работы в области спектроскопии реакторных антинейтрино и (II) экспериментальные работы на двух российских установках, одна из которых расположена на выходе пучка тепловых нейтронов исследовательского реактора ИР-8 в НИЦ «Курчатовский институт» (бета-спектрометр «Бета»), а другая – на энергетическом реакторе ВВЭР-1000 энергоблока №3 Калининской АЭС (детектор реакторных антинейтрино iDREAM – industrial Detector of REactor Antineutrinos for Monitoring). В 2022 г. по направлению (I) проведен комплекс работ в направлении развития методики вычисления спектров реакторных антинейтрино методом конверсии. Особенностями разрабатываемой в рамках проекта новой модели реконструкции спектров антинейтрино являются: (1) учет наиболее актуальных экспериментальных данных, полученных на установке «Бета», (2) усовершенствованный математический аппарат конверсии, включающий в себя уточнение формы антинейтринного спектра за счет введения ряда поправок, регуляризацию (сглаживание) решения задачи конверсии, т.е. спектрального состава, использование разработанного метода многократной конверсии, позволяющего рассчитывать неопределенности процедуры реконструкции и проводить анализ её устойчивости. В итоге, с использованием разрабатываемого метода рассчитаны спектры антинейтрино продуктов деления изотопов 235U, 238U, 239Pu, 241Pu, формирующие новую модель спектров реакторных антинейтрино – модель Курчатовского института (KI), которая на данный момент наилучшим образом согласуется с результатами реакторных экспериментов и позволяет объяснить проблему «реакторной антинейтринной аномалии». Другая задача, решаемая в рамках направления (I), заключалась в расчете средней тепловой энергии, выделяющейся в акте деления ядерного топлива. Был выполнен перерасчет кумулятивных спектров антинейтрино продуктов деления изотопов урана и плутония в модели спектров реакторных антинейтрино Курчатовского института, вместе с учетом последней информации из обновленных ядерных баз данных. Это позволило более точно учесть потери полной энергии деления на антинейтринное излучение и, таким образом, уточнить среднюю тепловую энергию, выделяющуюся при акте деления ядерного топлива. По направлению (II) проводился комплекс экспериментальных работ на установках «Бета» и iDREAM. На установке «Бета» продолжалось накопление статистики, обработка и анализ новых экспериментальных данных. Удалось достичь уменьшения погрешности кривой отношения бета-частиц 235U/239Pu в области 1-6 МэВ до 3% и продвинуться в область энергий выше 8 МэВ. Это повышает точность калибровки полученных в рамках настоящего проекта спектров бета-частиц 235U и 238U, а также будет использовано для получения из спектра бета-частиц 235U аналогичного спектра 239Pu. Работы на установке iDREAM (Калининская АЭС) были направлены на решение целого ряда задач, среди которых проведение измерений коррелированного фона при выключенном реакторе энергоблока №3, изучение стабильности отклика детектора, изучение фоновых условий эксперимента и др. Измерения коррелированного фона проведены с высокой (>90%) эффективностью сбора данных в период остановки энергоблока №3 на планово-предупредительный ремонт (ППР) 09.10.2022 – 30.11.2022. На момент подготовки настоящего отчета, обработанная статистика при выключенном реакторе составляет более 30 суток живого времени сбора данных детектором. Накопленная статистика при включенном реакторе – более 120 суток живого времени. Измеренный при выключенном реакторе коррелированный фон установки iDREAM составил R = 204,7 +/- 7,8 соб/сут, а отношение эффект/фон составило S/B = 7,7/1. Исследования характеристик сцинтиллятора детектора iDREAM проводились путем систематических измерений относительного отклика детектора в ходе калибровочных измерений источниками Co-60 и Cf-252. Каждые 2-3 дня р/а калибровочные источники при помощи специального устройства (т.н. калибратор) помещаются в различные точки внутрь калибровочного канала вдоль вертикальной оси детектора. Калибратор обеспечивает точность позиционирования источника не хуже 2 мм. Анализ данных показал, что отклик детектора в значительной степени зависит от температуры сцинтиллятора, которая поддерживается на уровне менее 20 град. На протяжении 2022 года наблюдался незначительный рост отклика детектора. В целом, отклик детектора оставался стабильным в пределах 5%. Фоновые условия эксперимента iDREAM исследовались нами комплексно – как самим детектором iDREAM, так и при помощи вспомогательных детекторов. Так, для изучения нейтронного фона проводились измерения при помощи оригинальной сборки из 3He-счетчиков, которая помещалась сначала за пределами защиты детектора, а затем внутри защиты. Измерения показали, что пассивная защита детектора обеспечивает подавление нейтронного фона в ~100 раз. Измерения фона от космических мюонов и рождаемых ими быстрых космогенных нейтронов проведены детектором iDREAM в динамике, для всей набранной статистики в 2021-2022 гг. Измеренная скорость счета мюонов составила R = 60,7 +/- 0,1 соб/сут, а скорость счета связанных с ними космогенных нейтронов R = 0,07 +/- 0,01 соб/сут. и находится в согласии с ожидаемой для установок, расположенных на уровне земли с защитой ~50 м.в.э. Скорость счета мюонов флуктуирует в пределах нескольких Гц в силу хорошо известного и изученного во многих экспериментах барометрического эффекта. В ходе проведенных измерений показано, что скорость рождения космогенных нейтронов оставалась стабильной в пределах 1% в периоды сбора данных как при включенном, так и выключенном реакторе. В рамках изучения гамма-фона нами были проведены специальные измерения по мгновенным гамма-квантам от источника быстрых нейтронов Cf-252. Цель заключалась в проведении относительных измерений внешнего и собственного гамма-фона детектора. Дело в том, что защита детектора iDREAM неравномерна в различных направлениях. Так, по периметру детектора размещены только слои чистого и борированного полиэтилена, которые «работают», в основном, на защиту от нейтронов. Тем не менее, конструкцией предусмотрена возможность дополнительного размещения по периметру слоя более «тяжелой» защиты от гамма-квантов (чугун или свинец). Суммарное энерговыделение от мгновенных гамма-квантов, испускаемых в одном акте деления Cf-252, может достигать ~8 МэВ. Источник последовательно размещался (1) в мишени, (2) за пределами детектора, но внутри защиты, (3) непосредственно за защитой, в экспериментальном зале. Было показано, что при размещении источника Cf-252 за внешней п/э защитой iDREAM мгновенные гамма-кванты не долетают до мишени со сцинтиллятором. Таким образом, можно сделать вывод, что внешний гамма-фон, по меньшей мере, не выше собственного фона детектора, а имеющейся пассивной защиты достаточно для подавления внешнего гамма-фона. В рамках подготовки проекта модернизации детектора был проведен анализ текущего состояния электронно-измерительно тракта iDREAM, предложены варианты его модернизации. Вкратце, суть предложений заключается в (1) коррекции конструкции имеющихся сумматоров-дискриминаторов, (2) оптимизации использования имеющегося многовходового АЦП DT5730 производства фирмы CAEN и (3) поиске или разработке по индивидуальному заказу альтернативного АЦП отечественного производства. Подготовлен проект технического задания на модернизацию электронно-измерительного комплекса iDREAM. По итогам реализации проекта в 2022 г. подготовлено две публикации (одна опубликована, одна – принята к публикации). Представлено 4 доклада на конференциях Nucleus 2022, ICPPA2022 и XIV Международной школе по нейтринной физике и астрофизике. В работах по проекту участвуют два аспиранта НИЦ «Курчатовский институт» 1-го и 2-го годов обучения, а также один студент НИЯУ МИФИ – магистр 2-го года обучения. Темы будущих диссертационных работ аспирантов и дипломного проекта магистра сформулированы в рамках тематики проекта.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В 2023 отчетном году были продолжены работы по двум магистральным направлениям развития проекта: (I) теоретические работы в области спектроскопии реакторных антинейтрино и (II) экспериментальные работы на двух российских установках, одна из которых расположена на выходе пучка тепловых нейтронов исследовательского реактора ИР-8 в НИЦ «Курчатовский институт» (бета-спектрометр «Бета»), а другая – на энергетическом реакторе ВВЭР-1000 энергоблока №3 Калининской АЭС (детектор реакторных антинейтрино iDREAM – industrial Detector of REactor Antineutrinos for Monitoring). По направлению (I) проведен комплекс работ, направленный на развитие модели спектров реакторных антинейтрино Курчатовского института (КИ), получаемых методом конверсии. В настоящее время наша модель широко цитируется в мировой литературе и используется в расчетах и представлении данных нейтринных экспериментов (см. напр., C. Giunti et al., Phys. Lett. B 829 (2022) 137054; H. Almazan et al, Nature 613 (2023) 257 и др.). Одной из ее особенностей является учет полученных на установке «Бета» результатов измерений отношения спектров бета-частиц 235U/239Pu, так что направления (I) и (II) проекта органично пересекаются. С учетом набранной на установке «Бета» в 2023 г. статистики, для диапазона энергий до 6 МэВ статистическая ошибка уменьшилась до 2,5%. Кроме того, были проведены измерения нарастания активности бета-частиц делящихся изотопов 235U и 239Pu после начала их облучения нейтронами. Было показано, что через 1 год после начала облучения бета-активности мишеней 235U и 239Pu возрастают по сравнению с односуточным облучением для энергий электронов Т > 1 МэВ на, соответственно, 2,6% и 2,8%, а для Т > 2 МэВ - на 0,6% и 1,0%. К концу трёхлетнего облучения рост бета-активности мишеней 235U и 239Pu по сравнению с односуточным облучением составит, соответственно, для Т > 1 МэВ - 3,3% и 3,9%, а для Т > 2 МэВ - 0,9% и 1,7%. Полученные результаты указывают на необходимость учета меняющегося на протяжении кампании реактора вклада долгоживущих продуктов деления для повышения точности расчета спектров реакторных антинейтрино. Также на стыке направлений (I) и (II) проекта были рассчитаны средние сечения реакции обратного бета-распада (ОБР) на один акт деления в рамках моделей КИ и Huber-Mueller (НМ) и проведено их сравнение с наблюдаемыми в реакторных экспериментах, включая данные детектора iDREAM. Показано, что результаты реакторных нейтринных экспериментов согласуются с моделью спектров реакторных антинейтрино КИ, которая не предсказывает реакторную антинейтринную аномалию в пределах погрешностей. В 2023 году нами была сформулирована новая, дополнительная задача, связанная с изучением влияния на поток антинейтрино из активной зоны (АЗ) реактора распределения по ее объему относительной мощности элементов ТВС и долей деления нуклидов. Дело в том, что на небольших расстояниях, сравнимых с размерами АЗ промышленного реактора (для ВВЭР-1000 высота АЗ составляет 3,7 м, а диаметр – 3,16 м), детальный расчёт потока антинейтрино с учетом детальной геометрии АЗ и меняющихся в ходе кампании распределений энерговыделения и долей деления, даёт больший поток антинейтрино по сравнению с упрощенными моделями АЗ, а также появляется зависимость потока от направления на АЗ. Для нейтринных детекторов, осуществляющих поиск переходов в стерильное состояние, это может заметно повлиять на измерения параметров осцилляций. Таким образом, нами были проведены детальные расчеты потока антинейтрино от каждой из 163 ТВС в 60 слоях по высоте на протяжении одной полной топливной кампании 3-го энергоблока КАЭС (реактор ВВЭР-1000), с учетом меняющегося в ходе кампании распределения долей деления по объему АЗ и их зависимости от глубины выгорания топлива. Расчеты показали, что на расстоянии 20 м от центра АЗ, соответствующем расположению детектора iDREAM на 3-м блоке Калининской АЭС, детальный расчёт даёт, в среднем, на ~1-1,5% больший поток антинейтрино. Другой важнейший результат проведенного детального расчета состоит в обнаружении анизотропии потока антинейтрино из АЗ между направлениями вбок и вверх-вниз. В 2023 году нами была обеспечена высокая (>80%) эффективность сбора данных детектором iDREAM на Калининской АЭС. Приготовленный нами для использования в этом детекторе жидкий сцинтиллятор с добавкой гадолиния к настоящему времени сохраняет долгосрочную стабильность на протяжении уже более 2,5 лет (Абрамов А.В и др., Оптическая и химическая стабильность жидкого сцинтиллятора детектора iDREAM на Калининской атомной электростанции, Письма в ЖТФ 15 (2023) 29). Набранная статистика взаимодействий антинейтрино составляет более 350 тыс. событий. В 2023 г. на основе данных детектора была измерена пропорциональная связь между среднесуточной скоростью счета нейтринного детектора и тепловой мощностью реактора, а также энерговыработка реактора. Показано, что отклонение рассчитанной «нейтринным» методом и декларированной службами КАЭС энерговыработкой составляет не более +/-2%. Был измерен выход реакции ОБР на один акт деления в зависимости от меняющейся в ходе кампании реактора доли делений изотопа 239Pu. Найденные значения в пределах погрешностей совпадают как с моделями спектров реакторных антинейтрино КИ, так и с моделями НМ и Fallot. Мы показали, что детектор iDREAM отчетливо видит выгорание ядерного топлива по простому изменению скорости счета антинейтрино (A. Abramov et al., Antineutrino signal in the iDREAM detector at Kalinin NPP, принято к публикации в Physics of Atomic Nuclei). Наконец, в рамках развития программы модернизации iDREAM, в 2023 г. был изготовлен новый, сборный внутренний бак детектора из прозрачного акрилового стекла и разработан проект внедрения в систему сбора данных iDREAM управляемого светодиодного генератора ультракоротких импульсов. Работы по модернизации iDREAM на Калининской АЭС будут проведены в середине 2024 года. В заключение этого раздела отметим, что в 2023 году основной исполнитель проекта Копейкин Владимир Иванович удостоился Государственной премии Российской Федерации в области науки и технологий 2022 года. Премия присуждена «за цикл фундаментальных и прикладных научных работ, внесших выдающийся вклад в развитие отечественных исследований реакторных антинейтрино и создавших научно-техническую базу для их практического применения в атомной отрасли», то есть за работы, которые Владимир Иванович сейчас развивает в рамках настоящего гранта РНФ.