Produkce neutronů v tříštivých reakcích a jejich využití pro urychlovačem řízené transmutace

1. Produkce neutronů v tříštivých reakcích a jejich využití pro urychlovačemřízené transmutace Antonín Krása

2. Co jetransmutace? • obecně jakákoli přeměna, při které dochází ke změně ve složení atomového jádra • jiný počet neutronů v jádře = jiné fyzikální vlastnosti (poločas rozpadu, aktivita, energie záření atd.) • jiný počet protonů v jádře = jiné chemické vlastnosti (odlišné chemické vazby, jiná reakční rychlost atd.) • ADTT - Accelerator Driven Transmutation Technologies • ATW - Accelerator Transmutation of Waste • ADS - Accelerator Driven Systems

3. Jak vytvořit prostředí vhodné pro transmutaci jaderného odpadu? • vysoká intenzita neutronů, řádově 1016 n.cm-2.s-1 Jak získat takto silné toky? • použitím výkonného urychlovače - svazkem protonů o vysoké energii by ozařoval tlustý terč z vhodného materiálu tříštivé (spalační) reakce - v nich se produkuje velké množství částic a velký podíl tvoří právě neutrony

4. vysoko energetické štěpení štěpné produkty vnitrojaderná kaskáda dopadající proton vypařování spalační produkt Tříštivé (spalační) reakce

5. Vnitrojaderná kaskáda

6. Programy simulující produkci neutronů a jejich transport • založeny na matematické metodě Monte Carlo • využívají různé fyzikální modely tříštivých reakcí a knihovny účinných průřezů reakcí neutronů s jádry • LAHET{Los Alamos High Energy Transport} - průběh spalační reakce, transport neutronů nad 20 MeV  MCNP {Monte Carlo Code for Neutron and Photon Transport} • nejnovější: MCNPX {Monte Carlo N-Particle Transport Code} - spojuje přednosti LAHETu a MCNP

7. Experiment • změřit průběh a intenzitu neutronového pole kolem tlustého olověného terče ozařovaného relativistickými protony • výsledky experimentu porovnat s výsledky simulací  zjištění, které z existujících programů popisují reálnou situaci lépe a které jejich části je potřeba vylepšit • studium vlivu: • změn a zjednodušení v geometrii terče u provedených simulací • nepřesností v určení trajektorie, tvaru a intenzity svazku • směšování protonového a neutronového pole • různé geometrie a energie svazku (ÚJF Řež & SÚJV Dubna)

8. Spalační terč Moderátor Granulovaný polyetylén s příměsí bóru 100  100  100 cm Tepelná izolace Pěnový polystyrén 17.6  17.1  52.6 cm Protonový svazek 885 MeV Pb terč d = 9.8 cm, l = 50 cm

9. Metoda aktivačních detektorů • tenké vícevrstevné folie (2 cm  2 cm  50 μm) • Au 197Au (n,2n) 196Au Ethres = 8,5 MeV 197Au (n,4n) 194Au Ethres = 24,5 MeV 197Au (n,g) 198Au • Al 27Al(n,α)24Na Ethres = 5,5 MeV • Cu reakce vysokoenergetických nukleonů 63Cu(n, γ)64Cu • výhody: jednoduchost, umístění • nevýhody: neměří se přímo neutronové spektrum, složitější interpretace

10. fólie 17,6 cm terč polystyren 9,6 cm 17,1 cm Umístění aktivačních detektorů

11. Produkce 198Au, 196Au, 194Au a 24Na ve foliích podél terče

12. Podíl protonů na produkci radioaktivních jader 27Al(n,α)24Na 27Al(p,x)24Na (např. (p,3pn)) 197Au(n,2n)196Au 197Au(p,x)196Au (např. (p,np), (p,d)) 197Au(n,4n)194Au 197Au(p,x)194Au (např. (p,p3n), (p,d2n), (p,tn)) 9,3 cm top Vzdálenost fólií: 5 cm top

13. fólie terč svazek Vliv geometrie svazku

14. Vliv polystyrénu a polyetylénu na prahové reakce • úplné simulace: berou v úvahu všechny části experimentálního uspořádání • jednoduché simulace: berou v úvahu pouze spalační terč

15. Porovnání experimentu a simulací

16. LAHET+ MCNP versus MCNPX

17. Závěr • experimentálně studována produkce neutronů ve spalačních reakcích relativistických protonů na tlustém olověném terči • průběh a intenzita neutronového pole měřena metodou aktivační analýzy • zjištěn významný vliv geometrie svazku • zjištěn významný vliv protonů na výtěžky aktivačních reakcí ~ 10 % • zjištěn malý vliv tepelné izolace (polystyrénu) i moderátoru (polyetylénu) na produkci vysokoenergetických neutronů - v simulacích stačí započítat jen terč! • dobrá shoda experimentu se simulacemi prahových reakcí (větší rozdíly pouze ke konci terče) • rozdíl mezi simulačními programy LAHET+MCNP a MCNPX je v našem případě zanedbatelný • důležité: důkladná analýza všech možných zdrojů systematických chyb, porovnání s experimenty při jiných energiích protonů