Diplomová práce Simulační studie neutronových polí použitelných pro transmutaci štěpných produktů a aktinidů Daniela Hanušová

Cíle diplomové práce simulace neutronového spektra kolem Pb spalačního terče použitého v experimentu a studium vlivu zjednodušení v uspořádání experimentálního terče na neutronové spektrum studium výtěžků transmutačních reakcí na izotopech jódu 129I a 127I pro izotopické složení odpovídající experimentu a pro některá další izotopická složení srovnání vypočtených výtěžků s naměřenými hodnotami

Schématické znázornění terče použitého v experimentu Parametry jódových vzorků použitých v experimentu

Střední energie neutronů podél terče a relativní výtěžek reakce 129I(n,2n)128I (normováno na maximální výtěžek při Ep=3000 MeV) vypočtené pro účely stanovení nejvhodnějšího rozmístění vzorků jódu podél terče Rozmístění jódových vzorků: vzorek 1 - 9. centimetr terče (5. segment), protony o energii 2.5 GeV vzorek 2 - 37. centimetr terče (19. segment), protony o energii 2.5 GeV vzorek 3 - 47. centimetr terče (24. segment), protony o energii 2.5 GeV vzorek 4 - 37. centimetr terče (19. segment), protony o energii 1.3 GeV

Zjednodušené schéma terče použitého v simulacích se znázorněním pomocného rozdělení na segmenty

Simulační program LAHET (Los Alamos High Energy Transport Code) umožňuje simulovat transport a interakce nukleonů, pionů, mionů, lehkých iontů a antinukleonů v materiálech o uživatelem definované geometrii v netransportním módu, tzn. částice je ihned po primární interakci vyřazena ze simulace, může být využit k výpočtu účinných průřezů je vhodný pro energie částic v intervalu zhruba 150 MeV až několik GeV umožňuje simulovat interakce a transport neutronů o energiích nad 20 MeV, neutrony s nižšími energiemi jsou zpracovávány programem MCNP (Monte Carlo N-Particle Transport Code) pro popis interakce zahrnuje tři modely popisující tři fáze jaderné reakce: model vnitrojaderné kaskády (INC), model předrovnovážné emise a model rovnovážného vypařování model předrovnovážné emise je volitelný parametr LAHET zahrnuje dva INC modely, Bertini INC a ISABEL INC model. ISABEL umožňuje interakce kaskádních částic a využívá realističtější popis jaderné hustoty, je podstatně náročnější na simulační čas. Bertini INC se obvykle uvádí jako dostačující pro většinu problémů.

Srovnání neutronových toků podél terče ozařovaného protony o energii 2 Srovnání neutronových toků podél terče ozařovaného protony o energii 2.5 a 1.3 GeV (intenzity neutronů normovány na jeden primární proton) maximum na 5. segmentu se pro vyšší energii primárních protonů mírně posouvá do vzdálenějších segmentů intenzita neutronů klesá podél terče ozařovaného protony o energii 1.3 GeV strměji než v případě ozařování protony o energii 2.5 GeV

Srovnání neutronových toků na 5. , 19. a 24 Srovnání neutronových toků na 5., 19. a 24. segmentu pro energii protonů 2.5 GeV (intenzita neutronů v jednotlivých energetických binech normována na jeden proton) intenzity neutronů na 5. a 19. segmentu se poměrně výrazně liší, klesající trend odpovídá tvrdnutí neutronového spektra ve vzdálenějších segmentech maximum kolem 15 MeV v poměru neutronových spekter na 5./19. segmentu je důsledkem poklesu energie primárních protonů podél terče a tím i excitační energie jader směrem ke konci terče rozdíl neutronových intenzit na 19. a 24. segmentu je podstatně méně výrazný, rostoucí tendence ukazuje na tvrdší neutronové spektrum na 24. segmentu

Srovnání neutronových toků na 19 Srovnání neutronových toků na 19. segmentu pro energie primárních protonů 1.3 a 2.5 GeV (intenzita neutronů v jednotlivých energetických binech normována na jeden proton) intenzita neutronového pole na 19. segmentu terče ozařovaného protony o energii 2.5 GeV je zhruba 2x vyšší než v případě terče ozařovaného protony o energii 1.3 GeV maximum v oblasti 15 MeV je důsledkem vyšší excitační energie jader směrem do hloubi terče pro větší energii primárních částic

Vliv čelních monitorů na neutronové spektrum kolem terče ozařovaného protony o energii 2.5 GeV (analogické grafy pro protony o energii 1.3 GeV vykazují podobné chování) čelní monitory o celkové tloušťce 0,056 mm by neměly mít na neutronové spektrum kolem terče experimentálně měřitelný vliv

Vliv monitorů resp. mezer (o šířce 3,2 mm) v terči na neutronové spektrum kolem terče ozařovaného protony o energii 2.5 a 1.3 GeV narušení kompaktnosti terče by nemělo s ohledem na dosažitelné experimentální přesnosti ovlivnit experimentální neutronové spektrum

Vliv některých modelů jednotlivých fází jaderné reakce zahrnutých v programu LAHET na neutronové spektrum v 19. segmentu neutronové spektrum je nejvýrazněji ovlivněno volbou modelu předrovno-vážné emise (pre-eq.) rozdíly vlivem uvážení některého z uvedených modelů dosahují až 20% resp. 30% v případě primárních protonů o energii 2.5 resp. 1.3 GeV neutronová spektra v 5. a 24. segmentu vykazují podobné trendy

Vliv posunutí středu svazku 1 cm nad osu terče na neutronové spektrum v místě vzorku jódu na 5. a 19. segmentu (v grafech je poměr neutronových spekter pro terč zasažený svazkem 1cm nad osou a přímo v ose) posunutí středu svazku 1 cm nad osu terče způsobuje celkové zvýšení intenzity neutronového pole v místě vzorku jódu o 60% v případě primárních protonů o energii 2.5 GeV vliv posunutí středu svazku se podél terče příliš nemění zvýšení neutronové intenzity v případě energie primárních protonů 1.3 GeV dosahuje zhruba 25%

Simulace účinných průřezů reakcí neutronů s izotopy 129I a 127I a výpočet odpovídajících výtěžků evaluovaná data účinných průřezů reakcí neutronů s izotopy 129I a 127I jsou převážně pouze do 20 MeV účinné průřezy pro ostatní energie neutronů je nutné získat ze simulací účinné průřezy reakcí s prahem pod 20 MeV, získané ze simulací, byly navázány na evaluované hodnoty evaluované hodnoty byly převzaty z knihovny JENDL-3, kde je nejkompletnější databáze studovaných účinných průřezů konvolucí neutronového spektra a účinných průřezů byly vypočteny výtěžky některých (n,xn) reakcí reakce (n,xn) mají největší účinné průřezy a do jejich výtěžků nepřispívají produkty rozpadů izotopů vzniklých v jiných reakcích studovány jsou pouze výtěžky izotopů 130I-120I, neboť izotop 120I je izotop jódu s nejnižším A naměřený v experimentu

Účinné průřezy některých (n,xn) a (n,γ) reakcí prahy a maxima účinných průřezů reakcí s větším počtem vyražených neutronů se posouvají směrem do vyšších energií maxima účinných průřezů v závislosti na počtu vyražených neutronů klesají míra příspěvku (n,γ) reakcí na izotopech 129I a 127I do celkového výtěžku závisí především na přítomnosti a intenzitě měkké části neutronového spektra

Vypočtené relativní výtěžky produkce izotopů 130I - 120I ve vzorcích umístěných na 5., 19. a 24. segmentu terče (normováno na výtěžek izotopu 126I) pokles hodnot relativních výtěžků s klesajícím nukleonovým číslem A koresponduje s průběhy účinných průřezů a neutronového spektra vzrůst relativních výtěžků izotopů s A<126 v závislosti na segmentu odpovídá rostoucímu podílu neutronů o vyšších energiích směrem ke konci terče

Vypočtené relativní výtěžky izotopů 130I-120I na 19 Vypočtené relativní výtěžky izotopů 130I-120I na 19. segmentu pro energie primárních protonů 2.5 a 1.3 GeV (normováno na výtěžek izotopu 126I) vyšší hodnoty relativních výtěžků všech izotopů (kromě izotopu 128I) v případě primárních protonů o energii 1.3 GeV jsou důsledkem nižšího podílu vysoko a nízko energetických neutronů v oblasti 19. segmentu terče ozařovaného protony o energii 2.5 GeV

Poměry výtěžků produkce izotopů 128I-120I na izotopech 129I/127I pro několik izotopických zastoupení Tot(I129) odpovídá podílu výtěžku všech studovaných (n,xn) reakcí na izotopu 129I v celkovém výtěžku studovaných (n,xn) reakcí ve výtěžku izotopu 128I dominuje příspěvek reakce 129I(n,2n)128I ve výtěžku izotopu 126I naopak převažuje podíl reakce na izotopu 127I příspěvek reakcí na 127I do výtěžků izotopů AI s A<124 je pro experimentální izotopické složení zhruba poloviční oproti příspěvku reakcí na 129I podíl výtěžku všech studovaných (n,xn) reakcí na izotopu 129I v celkovém výtěžku přibližně odpovídá procentuelnímu zastoupení tohoto izotopu

Výtěžky podle některých modelů jednotlivých fází jaderné reakce zahrnutých v programu LAHET (19.segment terče) uvedené poměry vykazují v souladu s průběhy účinných průřezů v závislosti na energii podobné chování jako poměry neutronových spekter volbou studovaných modelů jsou ovlivněny především výtěžky v případě primárních protonů o energii 1.3 GeV vliv volby některého ze studovaných modelů na výtěžky v případě primárních protonů o energii 2.5 GeV nepřesahuje 10%

Srovnání vypočtených relativních výtěžků s naměřenými hodnotami ve vzorcích na 5., 19. a 24. segmentu, Ep=2.5 GeV (normováno na výtěžek na 5. segmentu) výtěžek izotopu 128I na 24. segmentu nebyl naměřen experimentální i vypočtené výtěžky vykazují stejné chování podél terče, které je v souladu s výsledky simulací neutronového pole (pokles intenzity neutronů od 5.segmentu směrem ke konci terče) simulace silně nadhodnocují naměřené hodnoty (především pro izotopy s A124)

Závěr neutronové spektrum klesá v závislosti na energii přibližně jako 1/E a ve spektru je patrné maximum v oblasti energií kolem 1 MeV, nejvyšší intenzity neutronů je možné očekávat v oblasti 5. segmentu (tj. 9.centimetru) terče čelní monitory umístěné 30 cm před terčem o celkové tloušťce 0,056 mm by neměly mít experimentálně zjistitelný vliv na neutronové spektrum kolem spalačního terče 3.2 mm tenké mezery resp. monitory v nich umístěné způsobují mírný úbytek (2-3%) neutronů o energiích zhruba do 40 MeV v segmentech v těsném okolí mezery, úbytek by při dosažitelných experimentálních přesnostech neměl ovlivnit výsledky měření posunutí středu protonového svazku 1 cm nad osu terče způsobuje nárůst celkové intenzity neutronového pole ve směru posunutí svazku v celém oboru energií zhruba o 60% resp. 25% v případě protonů o energii 2.5 resp. 1.3 GeV volba konkrétního modelu jednotlivých fází jaderné reakce v programu LAHET má výrazný vliv na výsledky simulací (až 30%), který by měl být v rámci dosažitelné experimentální přesnosti rozlišitelný podíl studovaných (n,xn) reakcí na izotopu 129I v celkovém výtěžku je přibližně roven procentuelnímu zastoupení tohoto izotopu, celkový výtěžek studovaných reakcí je tedy tvořen především transmutací izotopu 129I srovnání s experimentem vykazuje dobrou shodu v trendech chování výtěžků v závislosti na poloze podél terče, pro objasnění konkrétních rozporů bude třeba provést další podrobnější simulace