Detektorfejlesztés a késő neutron kibocsájtás jelenségének szisztematikus vizsgálatához Kiss Gábor MTA Atomki és RIKEN Nishina Center
A késő neutron kibocsájtás felfedezése R. B. Roberts, R. C. Meyer és P. Wang Neutronokkal urán-nitrát mintát sugároztak be
Physical Review 55, 510 (1939)
További (korai) kísérleti eredmények R. B. Roberts, L. R. Hafstadt, R. C. Meyer és P. Wang Physical Review 55, 664 (1939)
Késő neutronok megjelenése függ a bombázó neutronok energiájától! Ezen neutronok energiája kevesebb 1 MeV-nél (valószínűleg körülbelül 500 keV) A késő neutron kibocsájtás nemcsak az urán jellemzője! A jelenség első elméleti értelmezése: Bohr-Wheeler folyadékcsepp modell (N. Bohr, J. A. Wheeler, Physical Review 56 426 (1939)
Késő neutron kibocsájtás értelmezése
Béta bomlás a leánymag neutron szeparációs energiája feletti nívókra vezet.
A 235U mag hasadása • Egy 235U mag hasadását átlagosan 2,47 prompt neutron kíséri • A hasadványok eloszlása:
Átlagosan 0,0065 további késő neutron követi a 235U mag hasadását - Elhanyagolható szerep az energiatermelésben; - Kulcsszerep a reaktor szabályozásában; - Szerep játszanak a reaktorhő számolásban
A. Tobias, Decay Heat, Prog. Nucl. Ener. 5 1 (1980)
6 csoport formula Lehetséges előfutár magok
Átlagos neutron energia [MeV]
1
87Br, 142Cs
2
csoport
Átlagos felezési idő [s]
Késő neutron hányad [%]
233U
235U
239Pu
233U
235U
239Pu
0,25
55,0
55,72
54,28
0,0226
0,021
0,0072
88Br, 137I
0,56
20,57
22,72
23,4
0,0786
0,140
0,0626
3
89Br, 93,94Rb, 138I
0,43
5,0
6,22
5,60
0,0658
0,126
0,0444
4
93,94Kr, 90,92Br, 139I,
0,62
2,13
2,3
2,13
0,0730
0,252
0,0685
0,42
0,615
0,61
0,618
0,0135
0,074
0,018
0,277
0,23
0,257
0,0087
0,027
0,0093
0,26
0,65
0,21
143Xe
5
140I, 145Cs
6
Br, Rb, As, stb Teljes késő neutron hányad [%]
OECD-NEA (1990-2002): Godiva (Los Alamos)-kísérletek: • Néhány (2-5) gramm hasadóanyag, pneumatikus mozgatás • Nagy intenzitású neutronforrás (árnyékolatlan reaktor) • Késő neutronhozam mérés proporcionális számlálóval 87,88Br és137I magok külön csoportba (8) foglalására →Javaslat a • A késő neutron hozamok 6 exponenciális G. R. Keepin, T. F. Wimett, R. K. Zeigler G. Rudstam, Ph. Finck, A. Filip, A. D'Angelo, R.D. McKnight, Delayed Neutron Data for the Major Actinides, Volume 6, NEA/WPEC-6, függvénnyel leírhatóak Physical Review 107 1044 (1957) NEA/OECD, Paris, France, 2002.
Gyorsítós kísérletek • A modern radioaktív nyalábot előállító gyorsítókkal a késő neutron kibocsájtó magok megfelelő intenzitással „termelhetőek”, bomlási paramétereik különkülön vizsgálhatóak! • Számos mérés – NERO (National Superconducting Cyclotron Laboratory, USA) – TETRA (Institut de Physique Nucléaire Orsay, Franciaország) – 3Hen (Oak Ridge National Laboratory, USA) • IAEA (2011-2015):
Javaslat CRP (coordinated research project) indítására IAEA INDC(NDS)-0599 (2011); INDC(NDS)-643 (2013); INDC(NDS)-683 (2015)
IAEA adatbázis
Kibocsájtási valószínűségek kevéssé ismertek! 240 / 122 (~50%) 18 / 4 (~22%) 4 / 1 (~25%)
Pn értékek továbbá fontosak: - Nukleáris asztrofizika (r folyamat) - Magszerkezet (béta erősség a szeparációs energia felett)
100
31
P1n - mérés P2n - mérés P1n - elmélet P2n - elmélet p3n - elmélet
Ga
80
Pn [%]
Azonosított késő neutron kibocsájtó magok száma: ~ 240 db 1 neutron ~ 18 db szimultán 2 neutron ~4 db szimultán 3 neutron
60 40 20 0
78
80
82
84
86
88
90
tömegszám
Még a legmodernebb (2005 utáni) elméleti modellek sem képesek reprodukálni a kísérleti adatokat – melyek sokszor nagy hibával ismertek.
Proporcionális számlálós mérések •
3He
töltésű proporcionális számlálók – Termikus neutron detektálása – n+3He → p + 3H + 765 keV Számlálócsövek Hatásfok száma [%]
NERO TETRA 3Hen BELEN
60 80 48 20
43,1 61,1 36,8 46,2
Energia függés [%] 15,7 13,3 10,3 6,3
HPGe
Nincs Van Van Nincs
• Elvárás – Hatásfok (>60% @&< 1MeV) – Flattness (< 5% @&< 1 MeV) – Rugalmas felépítés (+ HPGe)
Briken együttműködés – rendelkezésre álló „hardware” • ORNL (Oak Ridge National Lab. USA) –NPL (National Physics Lab. UK) – IFIC & UPC (Spanyolo.) – RIKEN (Japán) – JINR (Oroszo.) • Rendelkezésre álló 3He gázzal töltött proporcionális számlálók jellemzői: Gyártó
LND Ge ReuterStokes
Nyomás [atm]
Átmérő [cm]
Hossz [cm]
Aktív hossz [cm]
Rendelkezésre áll
8
2,54
67,6
60
42
10
2,54
67,6
60
10
10
2,55
74,6
60,96
17
10
5,08
69,79
60,97
64
5
2,54
39,63
30
26
4
3,0
60
50
20
Összesen:
• +2 Eurisys clover HPGe detektor
174
Detektor szimuláció - paraméterek • Efficiency:
• Flattness: • Neutron eloszlás a moderátorban:
Eredmények 80
Hatásfok [%]
75 70 166 számláló 148 számláló + 2 HPGe
65 88
60
Br En = 0.247 MeV; Pn = 6.75 (0.18)%
137
I
En =0.625 MeV; Pn = 7.33 (0.38)%
252
55
Cf Sb-Be 241 Am-Be 124
50 -4 -3 Koncentrikus gyűrűk: 10 10
-2
10
-1
10
0
10
1
10
h0: az első gyűrű implantációs detektortól való távolsága Neutron energia [MeV] fr: két egymást követő gyűrű távolsága nr: gyűrűn elhelyezett detektorok száma
Kitekintés Eu
Zöld: kísérleti P1n adat Piros: P1n felső határ Fekete: kísérleti P2n adat Kék vonal: RIKEN mérés 2017 során
Sm
Pm Nd Pr Ce La Ba Cs Xe I
Te Sb Sn In Cd Ag Pd Rh Ru Tc Mo Nb Zr Y Sr Rb Kr Br Se As
Köszönöm a figyelmet!
