Reaktorneutrinos

Reaktorneutrinos sind Antineutrinos, die in Kernreaktoren entstehen. Sie sind die stärkste vom Menschen erzeugte Neutrinoquelle und haben der Physik mehr Erkenntnisse geliefert als jede andere.

Woher sie kommen

Bei der Kernspaltung zerfällt ein schwerer Kern in zwei mittelschwere. Diese Bruchstücke haben zu viele Neutronen und werden über eine Kette von Betazerfällen stabil. Jeder dieser Zerfälle setzt ein Antineutrino frei.

Pro Spaltung entstehen im Mittel rund sechs davon. Ein Leistungsreaktor von drei Gigawatt thermischer Leistung sendet dadurch etwa 6 × 10²⁰ Antineutrinos je Sekunde aus — in alle Richtungen, ungehindert durch Beton, Stahl und Erdreich.

Die Energien reichen bis etwa acht Megaelektronenvolt, mit einem Schwerpunkt bei wenigen. Für den Nachweis über den inversen Betazerfall zählt allerdings nur der Teil oberhalb von 1,8 Megaelektronenvolt — darunter reicht die Energie nicht, um aus einem Proton ein Neutron und ein Positron zu machen. Sichtbar ist damit nur ein Teil des Spektrums.

Warum Reaktoren so nützlich sind

Vier Eigenschaften machen sie zur idealen Quelle.

Sie sind stark. Kein anderer künstlicher Vorgang liefert so viele Neutrinos auf so kleinem Raum.

Sie sind rein. Es kommt nur eine Sorte heraus — Elektron-Antineutrinos. Ein Experiment muss also nur prüfen, wie viele davon fehlen, und braucht keine Trennung mehrerer Arten.

Sie sind berechenbar. Aus der thermischen Leistung folgt die Zahl der Spaltungen und daraus die Zahl der Antineutrinos.

Sie lassen sich abschalten. Bei einer Revision steht der Reaktor still, und das Experiment misst den reinen Untergrund. Eine bessere Negativkontrolle gibt es nicht — und genau sie machte 1956 den ersten Neutrinonachweis überzeugend.

Was damit gemessen wurde

Bemerkenswert ist die Spannweite der Abstände. Frühere Experimente standen wenige hundert Meter vom Reaktor entfernt und fanden nichts — die Strecke war zu kurz. KamLAND nutzte 180 Kilometer und fand die Oszillation. Daya Bay wählte mit rund 1,6 Kilometern genau jenen Abstand, bei dem der kleine Winkel θ₁₃ seine größte Wirkung entfaltet.

Die Wahl der Entfernung ist bei Reaktorexperimenten die eigentliche Entwurfsentscheidung.

Die Reaktorantineutrino-Anomalie

2011 ergab eine Neuberechnung der erwarteten Raten, dass die gemessenen Werte um etwa sechs Prozent darunterliegen. Wie bei der Galliumanomalie von SAGE wurden sterile Neutrinos als Erklärung erwogen.

Inzwischen deutet vieles darauf hin, dass die Abweichung eher in den Kerndatentabellen steckt als in neuer Physik. Ein Detail spricht dafür: Die Zusammensetzung des Brennstoffs ändert sich während eines Zyklus — Uran-235 wird verbraucht, Plutonium-239 entsteht —, und beide liefern unterschiedliche Spektren. Messungen bei verschiedenen Brennstoffzusammensetzungen legen nahe, dass die Abweichung vor allem bei Uran-235 sitzt. Das passt zu einem Fehler in den Tabellen, nicht zu einem neuen Teilchen.

Endgültig geklärt ist die Frage nicht.

Anwendung jenseits der Grundlagenforschung

Ein Reaktor lässt sich an seinen Neutrinos erkennen. Deren Zahl und Spektrum verraten die Leistung und die Zusammensetzung des Brennstoffs — auch die Frage, ob Plutonium entsteht.

Die Internationale Atomenergie-Organisation verfolgt daher die Idee, Neutrinos zur Überwachung von Reaktoren zu nutzen. Ein solcher Detektor ließe sich außerhalb der Anlage aufstellen und wäre nicht zu täuschen: Neutrinos lassen sich weder abschirmen noch umleiten.

Verwandte Begriffe

• Antineutrino — was ein Reaktor aussendet
• KamLAND und Daya Bay — die großen Messungen
• Geoneutrinos — dieselbe Nachweistechnik, andere Quelle
• CEνNS

Quellen

• KamLAND-Kollaboration: First Results from KamLAND, Physical Review Letters 90, 021802 (2003).
• Daya-Bay-Kollaboration: Observation of Electron-Antineutrino Disappearance at Daya Bay, Physical Review Letters 108, 171803 (2012).