Experimentální získávání jaderných dat (zaměřeno na data o reakcích neutronů) Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: wagner@ujf.cas.cz, WWW: http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/ Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT Praha 1. Úvod 2. Zdroje neutronů 2.1 Kvazimonoenergetické zdroje – založené na reakcích 2.2 Bílé zdroje využívající TOF – založené na tříštivých reakcích či jiných reakcích 2.3 Zdroje termálních a epitermálních neutronů – založené na reaktorech 3. Měření účinných průřezů 3.1 Databáze experimentálních dat 3.2 Integrální měření pomocí aktivace 3.3 „Event by event“ měření 4. Něco navíc 4.1 Studium tříštivých reakcí 4.2 „Benchmark“ pomocí dat z komplexních sestav 5. Závěr Tekutý terč ze rtuti tříštivého zdroje neutronů v Oak Ridge

Úvod Neutron nemá elektrický náboj → interakce pouze silnou jadernou interakcí nelze urychlit, problém se získáním monoenergetického svazku Magnetický moment neutronu → interakce i elektromagnetickou interakcí, většinou zanedbatelný vliv Rozdělení neutronů podle jejich energie: Ultrachladné: E < 10-6 eV Chladné a velmi chladné: E = (10-6 eV – 0,0005 eV) Tepelné neutrony – (0,002 eV – 0,5 eV) neutrony v tepelné rovnováze s okolím, Maxwellovo rozdělení rychlostí pro 20oC je nejpravděpodobnější rychlost v = 2200 m/s → E = 0,0253 eV Epitermální neutrony a rezonanční neutrony: E = (0,5 eV – 10000 eV) Kadmiový práh: ~ 0,5 eV - s větší energií procházejí 1 mm Cd Pomalé neutrony: E < 0,3 eV Rychlé neutrony: E = (0,3 eV – 20 MeV) Neutrony vysokých energií: E = (20 MeV – 100 MeV) Relativistické neutrony: 0,1 – 10 GeV Ultrarelativistické neutrony: E > 10 GeV

Kvazimonochromatické neutronové zdroje založené na reakcích 7Li(p,n)7Be ÚJF AVČR Řež Protony 14 -37 MeV Intenzita 108 cm-2 s-1 Výhoda využití dvou různých zdrojů: široký rozsah energií a přesnější ocenění systematických nejistot TSL Uppsala Protony 14 -200 MeV Intenzita 105 cm-2 s-1

Pozadí zdroj v Uppsale (dole), zdroj v Řeži (nahoře) V Řeži protonový svazek zastavován uhlíkovým blokem – pozadí pro nízké energie Pozadí zdroj v Uppsale (dole), zdroj v Řeži (nahoře)

Neutronový zdroj nELBE (Rosendorf) Elektronový svazek – olověný terč – brzdné záření – (γ,n) reakce Svazek neutronů Svazek elektronů

Tekutý olověný terč, velmi vysoká intenzita svazku Délka mikropulsu < 10 ps Délka základny pro určení doby letu 4.0 - 8.0 m Neutronový tok 0,8·107 cm-2 s-1 Rozsah energii 100 keV < En < 10 MeV Energetické rozlišení E/E < 1 % (6 m)

Spektrum zdroje nElbe v roce 2007 a 2009 Měřící místnost – detektory pro měření gama fotonů a neutronů vznikajících v reakcích

GELINA TOF spektrometr (Belgie) Elektronový urychlovač: energie 100 MeV, délka pulsu 10 ns , opakovací frekvence 800 Hz Vlastnosti: 1) Vysoká intenzita svazku 2) Komprese svazku pomocí magnetu 3) Rtutí chlazený uranový terč 4) Velmi dlouhé základny pro dobu letu (až 400 m) Střední tok neutronů: 3,4 x 1013 neutrons/s Současně obsluhuje až 12 experimentů Tok neutronů: Energetické rozlišení:

Tříštivé reakce jako intenzivní zdroj neutronů Reakce protonu z vysokou energií ( > 100 MeV ) s jádry Velmi intenzivní zdroj neutronů – lze dosáhnout až 1016n/cm2s Přesně to potřebujeme pro efektivní transmutaci Tři etapy tříštivé reakce: 1) Vnitrojaderná kaskáda - nalétávající proton vyráží v nukleon-nukleonových srážkách nukleony z vysokou energií 2) Předrovnovážná emise - výlet nukleonů s vyšší energií z jádra ještě před nastolením tepelné rovnováhy 3) Vypařování neutronů nebo štěpení jádra – jádro v tepelné rovnováze se zbavuje přebytečné energie vypařováním neutronů s energií okolo 5 MeV. Neu- trony vypařují i štěpné produkty Vysokoenergetické nukleony vzniklé v etapě vnitrojaderné kaskády mohou způsobit další tříštivou reakci - hadronová sprška

Zařízení n-TOF v CERNu protonový svazek: Ep = 20 GeV, Δt = 7 ns, I = 7·1012 protonů, f = 0,8 Hz olověný terč – tříštivé reakce neutronový svazek: 300 n/p En = 0,025 eV – 1000 MeV vzdálenost 185 m, 105 n/puls/energetický řád speciální kolimace a moderace pro různé režimy práce neutronový svazek FWHM = 11,8 mm olověný terč - sestavování stínění za terčem odkláněcí magnet

Moderátor Chladící systém terče Spektrum produkovaných neutronů (simulace) (na konci transportního systému -185 m od terče) Energetické rozlišení zařízení n-TOF Moderátor Chladící systém terče Experimentální hala u n_TOF

Využití neutronů z reaktoru Hlavně termální a epithermální neutrony Možnost využití monochromátoru Možnost získaní definované energie pomocí difrakce Měření parametrů štěpných reakcí pro termální neutrony Reaktor LVR-15 v ÚJV Řež Pracoviště pro studium reakcí neutronů na reaktoru v Budapešti

Neutronový kanal na reaktoru LVR-15 v Řeži Průřez svazku: 4  60 mm2 Intenzita svazku: (1.5±0.2)·107n cm-2 s-1 Gama-gama koincidenční sestava Měření silových funkcí

Evropské projekty podporující přístup k zdrojům neutronů Už skončil Letos zahajuje a umožňuje provedení experimentů na čtrnácti neutronových zdrojích http://www.erinda.org Databáze experimentálních dat EXFOR http://www.nndc.bnl.gov/exfor/exfor00.htm

Neutronová spektra pro různé energie protonů Využití aktivace k určení účinných průřezů Využívá se vzniku radioaktivních jader – měření následné gama radioaktivity Měřené materiály: Všechna ozařování: Al, Au, Bi, Ta, In a I Některá ozařování: Y, Co, Zn, Fe, Cu, Ni a Mg ÚJF AVČR Řež: 4 měření: energie neutronů 17,5; 21,9; 30,4 a 35,9 MeV TSL Uppsala: První série (2008): energie neutronů 22; 47 a 94 MeV Neutronová spektra pro různé energie protonů (ÚJF AVČR Řež) Problém odečtení pozadí → je důležité získat data pro řadu energií neutronů (protonů) Druhá série (2010): energie protonů 62; 70; 80 a 93 MeV Hlavní zdroje nejistot: 1) Fit Gaussovy křivky > 1 % 2) Účinnost ~ 3 % 3) Spektroskopické korekce ~1 % 4) Integrál neutronového svazku ~ 5 % (NPI), 10 % (TSL) 5) Definice neutronového spektra – odečtení pozadí Podporováno: Příklad různého vlivu pozadí

Průběh měření a zpracování HPGe Analýza gama spekter Ozařování NYield Production in peak Talys1.0 Korekce Účinný průřez

Příklady získaných dat

Uppsala únor 2010 ! PŘEDBĚŽNÉ ! výsledky

nELBE – příklady metod měření a výsledků Nepružný rozptyl neutronů

Měření totálního účinného průřezu absorpce neutronu na tantalu Využití transmisní metody: Držák terče: Pb absorber Ta vzorek Plastický scintilator s nízkým detekčním prahem NIMA 575 (2007) 449

Počet reakcí pro štěpení 235U v závislosti na energii neutronů Měření pomocí n_TOF Různé typy detektorů částic a fotonů Transmisní měření Velmi přesná měření ve velmi širokém rozmezí energií Rezonance 80,8 keV u Fe Počet reakcí pro štěpení 235U v závislosti na energii neutronů

Studium reakce (n,γ) na 151Sm 1) Poločas rozpadu 93 let – součást odpadu jaderných elektráren 2) Důležitý článek řetězce produkce vzácných zemin 3) Patří mezi přechodové prvky Neutrony s energií od 0,6 eV do 1 MeV Detekce gama pomocí C6D6 scintilátoru (malá citlivost na neutrony) pozadí výřez v oblasti 500 – 550 eV Přesnost 6 % průběh reakcí a větvení s-procesu v oblasti Gd, Eu a Sm svazek neutronů Měření záchytu na 151Sm gama detekční systém

Produkce neutronů v tříštivých reakcích a srážkách protonů a těžkých iontů 1) Příklad měření produkce neutronů v tříštivých reakcích na tenkých terčích: Použit svazek protonů z cyklotronu v SIN (Švýcarsko) – puls 200 ps Tenké terče díry (d=4cm) v 20 cm železa → úzce kolimovaný svazek neutronů do úhlů 30o, 90o a 150o vzdálenost terč – detektor 1,3 m NE213 – neutron detektor NE102A – veto detektor – potlačení nabitých částic Produkce neutronů na uranu Ep = 585 MeV (S. Cierjacks Phys. Rev 36(1987)1976 Energetické rozlišení

2) Měření produkce neutronů v tříštivých reakcích do nulového úhlu Protonový svazek LAMPF (USA) E = 800 MeV, důležité materiály: Al, Ti, Cu, W, Pb, U odklonění svazku nabitých protonů a dalších částic magnetem konvertor (tekutý vodík) – 0,93 g/cm2 výběr jen dopředných protonů vznikajících ve srážkách neutronů (čelní srážka → předaná veškerá energie neutronu spektrometr: 4 mnohodrátové proporciální komory, 2 před a 2 za magnetem (určení hybnosti) Problémy: 1) nepružné procesy v konvertoru n + p → p + n + π0, n + p → p + p + π- 2) vznik jiných částic n + p → d + π0, n + p → d + γ 3) pozadí částic vznikajících jinde 4) přesnost znalosti účinného průřezu rozptylu np jako funkci energie Řada dalších experimentů studujících produkci neutronů v tříštivých reakcích srážkách těžkých iontů Podobně i produkce neutronů s tlustých terčů

„Benchmark“ testy na komplexních sestavách

Závěr Problém se získáním zdroje neutronů s definovanou energií: a) kvazimonoenergetické zdroje založené na neutronech b) „bílé“ zdroje neutronů využívající k určení energie doby letu c) reaktory jako zdroje termálních a epitermálních neutronů 2) Mezery v experimentálních datech o účiných průřezech a dalších parametrech reakcí neutronů – snaha o jejich doplnění – evropské projekty (nyní ERINDA) 3) Měření účinných průřezů pomocí aktivační metody 4) Měření s využitím detekce produktů reakce neutronů 5) Měření pomocí transmisní metody 6) Studium správnosti experimentálních dat o jaderných reakcích pomocí komplexních „benchmark“ experimentů 7) Možnosti účasti studentů na těchto pracech